DE69233139T2

DE69233139T2 - Magnetowiderstandseffekt-Element und Magnetowiderstandseffekt-Fühler

Info

Publication number: DE69233139T2
Application number: DE69233139T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki 1-1 Shibaura 1-chome Saito; Koichiro 1-1 Shibaura 1-chome Inomata; Reiko 1-1 Shibaura 1-chome Kondoh; Yuichi 1-1 Shibaura 1-chome Ohsawa; Susumu 1-1 Shibaura 1-chome Hashimoto; Hitoshi 1-1 Shibaura 1-chome Iwasaki; Junichi 1-1 Shibaura 1-chome Akiyama; Toshihiko 1-1 Shibaura 1-chome Ohta
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-10-23
Filing date: 1992-10-23
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2012-10-24
Also published as: EP0539213A1; DE69233139D1; US5304975A; EP0539213B1; DE69229322D1; DE69229322T2; EP0805502A3; EP0805502B1; EP0805502A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetwiderstandseffekt-Element und einen Magnetwiderstandseffekt-Sensor, die in einem Magnetfeldsensor, Magnetkopf und dergleichen verwendet werden und insbesondere ein Magnetwiderstandseffekt-Element und einen Magnetwiderstandseffekt-Sensor, die eine Schicht eines künstlichen Gitters nutzen.
Der Magnetwiderstandseffekt ist ein Effekt, bei dem der spezifische Widerstand eines Objekts bei Anlegen eines Magnetfelds geändert wird. Magnetwiderstandseffekt-Elemente, die diesen Effekt nutzen, finden eine Vielzahl von Anwendungen, die solche für Magnetfeldsensoren und Magnetköpfe umfassen, wegen ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern und ihrer Fähigkeit zur Erzeugung eines relativ großen Ausgangssignals. Zwar wird eine Permalloydünnschicht herkömmlicherweise in weitem Umfang für diese Magnetwiderstandseffekt-Elemente verwendet, doch beträgt der relative Magnetwiderstand (ΔR/Rs: wobei ΔR die Differenz des elektrischen Widerstands zwischen einem Magnetfeld 0 und dem Sättigungsmagnetfeld ist, Rs der elektrische Widerstand ist, der bei Anlegen des Sättigungsfeldes erhalten wird) einer Permalloyschicht nur etwa 2 bis 3% und zeigt daher keine zufriedenstellende Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen des Magnetfelds.
Andererseits erhielt als ein neues Magnetwiderstandseffekt-Element eine Mehrfachschicht, die aus abwechselnd aufeinandergestapelten magnetischen und nichtmagnetischen Schichten gebildet wurde, die jeweils eine Dicke von mehreren bis zu mehreren 10 Å aufwiesen, oder eine sogenannte Schicht eines künstlichen Gitters in den letzten Jahren sehr hohe Aufmerksamkeit. Bekannte Arten der Mehrfachschichten umfassen (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. Mat. 94 (1991) L1; Phys. Rev. Lett. 66 (1991) 2152) .
Diese Mehrfachschichten zeigen einen hohen relativen Magnetwiderstand als Prozentpunkte. Insbesondere kann, wenn diese Mehrfachschichten unter Verwendung einer Schichtbildungsvorrichtung, die ein Ultrahochvakuumsystem, beispielsweise eine Ultrahochvakuum(UHV)-Dampfphasenabscheidung und Molekularstrahlepitaxie (MBE), umfasst, gebildet werden, ein hoher Magnetwiderstandseffekt, der 20% übersteigt, bei Raumtemperatur erhalten werden. Daher wird, wenn diese Mehrfachschichten in Magnetwiderstandseffekt-Köpfen verwendet werden, eine große Zunahme des Ausgangssignals erwartet.
Jedoch zeigt ein Sättigungsfeld H_S der bekannten Mehrfachschichten eine Größe von etwa 10 kOe im Gegensatz zu nur mehreren Oe für eine Permalloy. Daraus folgt, dass, wenn die bekannten Mehrfachschichten in einem Magnetsensor oder einem Magnetkopf verwendet werden, der ein schwaches Magnetfeld erfassen soll, der Magnetsensor oder -kopf keine ausreichende Empfindlichkeit zeigt.
Genauer gesagt ist es, wenn eine Anwendung als Magnetsensor oder Magnetkopf betrachtet wird, günstig, wenn die Schicht eines künstlichen Gitters eine große Magnetwiderstandsänderung unter einem schwachen Magnetfeld zeigt. Hierfür ist es erforderlich, dass das Sättigungsfeld H_S der Schicht eines künstlichen Gitters verringert wird.
Jedoch wurde eine Schicht eines künstlichen Gitters, das diese speziellen Anforderungen erfüllt, bisher noch nicht entwickelt.
Es wurde vorgeschlagen, einen Magnetwiderstandseffekt-Kopf, der den im Vorhergehenden beschriebenen Magnetwiderstandseffekt nutzt, zum Lesen von auf einem Magnetaufzeichnungsmedium aufgezeichneten Daten zu verwenden (IEEE MAG-7, 150, (1971)). In den letzten Jahren wurde mit zunehmender Größenverringerung und Kapazitätserhöhung eines Magnetaufzeichnungsmediums die relative Geschwindigkeit des Daten lesenden Magnetkopfs und des Magnetaufzeichnungsmediums während des Lesens von Daten verringert. Daher wird ein Magnetwider standseffekt-Kopf, der ein großes Ausgangssignal auch bei einer niedrigen relativen Geschwindigkeit erhalten kann, erwartet.
Wenn ein Magnetwiderstandseffekt-Kopf in der Praxis verwendet werden soll, müssen an diesen Kopf zwei Arten von Vorpolungsmagnetfeldern angelegt werden. Ein Vorpolungsmagnetfeld wird im Allgemeinen als Quervorpolung, die in einer zum Lesestrom des Magnetwiderstandseffekt-Elements senkrechten Richtung angelegt wird, bezeichnet. Die Quervorpolung ist ein Magnetfeld, das angelegt wird, bis die Größe eines externen Signals und die eines Erfassungssignals einen proportionalen Zustand, d. h. einen sogenannten Arbeitspunkt, erreichen. Ein Beispiel für ein Verfahren zum Anlegen der Horizontalvorpolung umfasst ein Eigenvorpolungsschema, das in der veröffentlichten geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 53-37205 und 56-40406 und dergleichen offenbart ist, und ein Nebenschlussvorpolungsschema, das in der veröffentlichten geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 53-25646 und dergleichen offenbart ist. Gemäß dem Eigenvorpolungsschema wird eine weiche Nachbarschicht angrenzend zu einer Magnetwiderstandseffekt-Schicht über eine dünne nichtmagnetische Schicht gebildet, und ein durch den Lesestrom erzeugtes Magnetfeld als Quervorpolung verwendet. Ein Verfahren zum Anlegen der Quervorpolung durch Fließenlassen eines Stroms durch eine angrenzend an eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht angeordnete Spule ist in der veröffentlichten geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 53-37206 offenbart. Ein Verfahren mit einer hartmagnetischen Schicht mit einer Magnetisierung in einer Richtung, die angrenzend an eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht gebildet ist, um die horizontale Vorpolung anzulegen, ist in der veröffentlichten geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 54-8291 und dergleichen offenbart.
Das andere Vorpolungsmagnetfeld wird im Allgemeinen als Longitudinalvorpolung, die in einer zum Lesestrom des Magnetwiderstandseffekt-Elements parallelen Richtung angelegt wird, bezeichnet. Die Longitudinalvorpolung unterdrückt das Barkhausen-Rauschen, das verursacht wird, da das Magnetwider standseffekt-Element eine große Zahl magnetischer Domänen besitzt. Mit anderen Worten dient die Longitudinalvorpolung zur Minimierung der Zahl der magnetischen Wände, die die Bildung von Rauschen verursachen.
Verschiedene Methoden wurden herkömmlicherweise zum Anlegen der Longitudinalvorpolung vorgeschlagen. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 4 103 315, das eine gleichförmige Longitudinalvorpolung in einer Magnetwiderstandseffekt-Schicht durch Austauschkopplung von einer antiferromagnetischen Schicht und einer ferromagnetischen Schicht erzeugt wird. Gemäß Journal of Applied Physics, Band 52, 2472, (1981) wird, wenn eine FeMn-Legierungsschicht als antiferromagnetische Schicht und eine Permalloy(Ni₈₀Fe₂O)-Schicht als Magnetwiderstandseffekt-Schicht verwendet wird, aufgrund der magnetischen Austauschkopplung zwischen der Legierungs- und der Permalloy-Schicht eine vertikale Vorpolung an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht angelegt. In jedem dieser Fälle ist der Spin der Magnetwiderstandseffekt-Schicht durch die longitudinale vertikale Vorpolung in einer Richtung fixiert, wobei das Barkhausen-Rauschen unterdrückt wird.
Als weiteres Beispiel für das Verfahren zum Anlegen der vertikalen Vorpolung wird zusätzlich zu den im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren ein Verfahren der Verwendung einer in einer Richtung magnetisierten ferromagnetischen Schicht auf die gleiche Weise, wie sie zum Anlegen der Quervorpolung verwendet wurde, vorgeschlagen. Gemäß diesem Verfahren können die longitudinale Vorpolung, die Quervorpolung und eine zwischen den zwei Vorpolungen liegende Vorpolung durch Wählen der Magnetisierungsrichtung angelegt werden. Magnetic Recording Laboratory, MR-37, the Institute of Electronic and Communication Engineers of Japan führt ein Verfahren zum Anlegen der longitudinalen Vorpolung durch Bilden einer CoP-Schicht am Endbereich einer Magnetwiderstandseffekt-Schicht des Jochtyps ein.
Auf diese Weise wurden verschieden Verfahren zum Anlegen der Longitudinalvorpolung vorgeschlagen. Wenn diese Verfahren jedoch für den Magnetkopf für ein Festplattenlaufwerk angewandt werden, treten die folgenden Probleme auf.
Von den Verfahren zum Anlegen der Longitudinalvorpolung ist ein Verfahren, mit dem bei der Anwendung für den Magnetkopf für ein Festplattenlaufwerk die günstigsten Eigenschaften erwartet werden können, ein Verfahren der Bildung einer FeMn-Legierung (γ-FeMn-Legierungs)schicht als antiferromagnetische Schicht auf einer Magnetwiderstandseffekt-Schicht, die aus einer Permalloy oder dergleichen besteht. Eine derartige Vorrichtung ist Gegenstand von EP 0216062 .
Das longitudinale Vorpolungsmagnetfeld beträgt günstigerweise 10 bis 30 Oe.
Die FeMn-Legierung beeinflusst jedoch die Zuverlässigkeit des Magnetwiderstandseffekt-Elements in stark nachteiliger Weise, was bei Nippon Kinzoku Gakkai (Japanse Metal Society) (543), Ende 1990, berichtet wird, da Mn leicht oxidiert wird. Wenn eine antiferromagnetische Schicht durch Sputtern einer γ-FeMn-Legierung gebildet werden soll, wird manchmal eine α-FeMn-Legierungsphase gebildet, was in Journal of Applied Physics, Band 52, 2471 (1981), angegeben wird, und es ist schwierig, eine stabile γ-FeMn-Legierungsphase auf großtechnischer Ebene zu erhalten.
Im Hinblick auf die anzulegende Longitudinalvorpolung besteht, wenn diese schwächer als das antimagnetische Feld im Randbereich der Magnetwiderstandseffekt-Schicht ist, der Mangel, dass die Magnetwiderstandseffekt-Schicht nicht eine einzige magnetische Domäne aufweist; wenn sie schwächer als dieses ist, ist die Empfindlichkeit der Magnetwiderstandseffekt-Schicht verringert. Daher weist die anzulegende Longitudinalvorpolung vorzugsweise eine derartige Stärke auf, dass das antimagnetische Feld im Randbereich der Magnetwiderstandseffekt-Schicht aufgehoben wird. Die Stärke des antimagnetischen Felds hängt von der Form des Magnetwiderstandseffekt-Elements ab, d. h. der Breite und Tiefe der Spuren und der Filmdicke. Daher muss die Höhe der Austauschkopplungsenergie entsprechend den Spezifikationen des Magnetkopfs durch Steuern der Form des Magnetwiderstandseffekt-Elements geändert werden. Um jedoch die Austauschkopplungsenergie zwischen der FeMn-Legierung als der antiferromagnetischen Schicht und der NiFe-Legierung als der Magnetwiderstandsschicht zu steuern, muss die Dicke der NiFe- oder FeMn-Legierungsschicht gemäß der Beschreibung in dem obigen Journal of Applied Physics, Band 52, 2471 (1981), geändert werden. Wenn die Dicke der NiFe-Legierungsschicht geändert wird, werden die Eigenschaften des Magnetkopfs selbst geändert. Daher ist es nicht günstig, die Dicke der NiFe-Legierungsschicht willkürlich zu ändern. Wenn die Dicke der FeMn-Legierungsschicht erhöht wird, bildet sich in der Schicht eine α-FeMn-Legierungsphase, die in ähnlicher Weise ungünstig ist. Auf diese Weise ist es tatsächlich sehr schwierig, die Austauschkopplungsenergie entsprechend den Spezifikationen des Magnetkopfs zu ändern.
Ferner hängt, wie in Journal of Applied Physics, Band 53, 2005 (1982), angegeben ist, die Austauschkopplungsenergie zwischen der FeMn-Legierung und der NiFe-Legierung in starkem Umfang von der Temperatur ab, und die Eigenschaften des Magnetwiderstandseffekt-Elements können in ungünstiger Weise durch die Umgebungsbedingungen und Wärmeerzeugung durch den Lesestrom geändert werden. Um diese Nachteile zu vermeiden, offenbart IEEE TRANS MAG-24, 2609 (1988) ein Verfahren der Austauschkopplung einer TbCo-Legierung mit einer NiFe-Legierung. Da die TbCo-Legierung jedoch leicht oxidiert wird, ist eine Langzeitzuverlässigkeit nicht garantiert, selbst wenn die Umgebungsbedingungen, unter denen die Legierung verwendet werden soll, beschränkt sind.
Das Verfahren zum Anlegen der Longitudinalvorpolung durch den ferromagnetischen Körper mit einer Magnetisierung in einer Richtung ist wirksam, wenn die Magnetwiderstandseffekt-Schicht so gebildet wird, dass sie von dem Magnetaufzeichnungsmedium beabstandet ist, beispielsweise in einem Magnetwiderstandseffekt-Kopf des Jochtyps. Wenn die Magnetwiderstandseffekt-Schicht jedoch nahe dem Magnetaufzeichnungsmedium ausgebildet ist, wie im Magnetwiderstandseffekt-Kopf des verschlossenen Typs, kann das Magnetaufzeichnungsmedium ungünstigerweise durch das Leckmagnetfeld aus dem ferromagneti schen Körper entmagnetisiert werden. Wenn die Koerzitivkraft des ferromagnetischen Elements verringert wird, um eine Entmagnetisierung zu vermeiden, kann die Magnetisierungsrichtung des ferromagnetischen Körpers ungünstigerweise durch das Leckmagnetfeld des Magnetaufzeichnungsmediums geändert werden.
Auf diese Weise besitzen die herkömmlichen Verfahren zum Anlegen der Longitudinalvorpolung verschiedene Nachteile, wenn sie für ein Magnetaufzeichnungssystem verwendet werden, bei dem eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht und ein Magnetaufzeichnungsmedium aneinander angrenzend sind, beispielsweise in einem Fall, bei dem der Magnetwiderstandseffekt-Kopf für ein Festplattenlaufwerk verwendet wird.
Die EP 0 406 060 betrifft einen Magnetwiderstandssensor, der eine abwechselnd aufeinander gestapelte magnetische und nichtmagnetische Schichten umfassende monokristalline magnetische Mehrfachschicht umfasst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Magnetwiderstandseffekt-Elements mit einem schwachen Sättigungsfeld und der Fähigkeit zum Erlangen eines niedrigen relativen Magnetwiderstands mit einem schwachen Magnetfeld.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Magnetwiderstandseffekt-Elements, mit dem ein hoher relativer Magnetwiderstand erhalten und das Rauschen durch Unterdrücken der Bildung von magnetischen Wänden vermindert werden kann, wenn das Magnetwiderstandseffekt-Element für einen Magnetsensor, beispielsweise einen Magnetkopf, verwendet wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines hochempfindlichen Magnetwiderstandseffekt-Sensors, der wenig Barkhausen-Rauschen erzeugt, bei dem ein Vorpolungsmagnetfeld an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht ohne Störung des Vorpolungsmagnetfeldes durch das Magnetfeld eines Magnetaufzeichnungsmediums oder dergleichen angelegt werden kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt die Bereitstellung eines Magnetwiderstandseffekt-Elements, das umfasst:
eine erste Mehrfachschicht, die durch Aufeinanderstapeln magnetischer und nichtmagnetischer Schichten derart, dass sich ein Magnetwiderstandseffekt ergibt, erhalten wurde; und
eine zweite Mehrfachschicht, die durch Aufeinanderstapeln magnetischer und nichtmagnetischer Schichten derart, dass sich ein größeres Sättigungsfeld als das der ersten Mehrfachschicht ergibt, erhalten wurde, wobei die zweite Mehrfachschicht auf mindestens einem Endteil der ersten Mehrfachschicht zum Anlegen eines Vorpolungsmagnetfelds an die erste Mehrfachschicht ausgebildet ist, und jede zweite Mehrfachschicht ein longitudinales Magnetfeld an die erste Mehrfachschicht anlegt.
Die vorliegende Erfindung lässt sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vollständiger verstehen, wobei:
1 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Dicke der nichtmagnetischen Schicht und dem relativen Magnetwiderstand zeigt;
2 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Dicke der nichtmagnetischen Schicht und dem Sättigungsfeld zeigt;
3 bis 6 Schnittdarstellungen sind, die Magnetwiderstandseffekt-Elemente gemäß einem Beispiel, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung geeignet ist, zeigen;
7 eine in der vorliegenden Erfindung verwendete Schichtbildungsvorrichtung zeigt;
8 und 9 Schnittdarstellungen sind, die Magnetwiderstandseffekt-Elemente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
10 eine Schnittdarstellung ist, die eine Anordnung eines Magnetwiderstandseffekt-Sensors gemäß einem Beispiel, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, zeigt;
11 eine Schnittdarstellung ist, die die Struktur einer eine Vorpolung anlegenden Schicht des Magnetwiderstandseffekt-Sensors von 10 ist;
12 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen den äußeren Magnetfeldern und dem relativen Magnetwiderstand von Beispiel 1, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist, zusammen mit dem von Vergleichsbeispiel 1 zeigt;
13 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Dicke der Supermalloy-Schichten von Beispiel 2, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist, und dem relativen Magnetwiderstand und die Beziehung zwischen der Dicke und den Sättigungsfeldern zeigt;
14A, 14B und 14C Diagramme sind, die jeweils die Beziehung zwischen den äußeren Feldern und dem relativen Magnetwiderstand der Prüflinge Nr. 21 und 22 von Beispiel 3, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist, und Vergleichsbeispiel 2 zeigen;
15 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen dem äußeren Magnetfeld und dem relativen Magnetwiderstand von Prüfling Nr. 23 von Beispiel 4, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist, und Vergleichsbeispiel 4 zeigt;
16 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen dem äußeren Magnetfeld und dem relativen Magnetwiderstand von Prüfling Nr. 24 von Beispiel 5, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist, und Vergleichsbeispiel 5 zeigt;
17 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen dem äußeren Magnetfeld und dem relativen Magnetwiderstand von Prüfling Nr. 25 von Beispiel 6, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist, und Vergleichsbeispiel 6 zeigt;
18 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Dicke der Permalloy-Schicht als Umkehrhilfsschicht und den Sättigungsfeldern und die Beziehung zwischen der Dicke und dem relativen Magnetwiderstand zeigt;
19 eine perspektivische Darstellung ist, die einen Magnetwiderstandseffekt-Kopf unter Verwendung eines Magnetwiderstandseffekt-Elements, das in Beispiel 6, das zum Ver ständnis der Erfindung verwendbar ist, hergestellt wurde, zeigt;
20A und 20B Darstellungen sind, die Beispiele eines Grenzbereichs zwischen der Magnetwiderstandseffekt-Schicht und der Vorpolungsanlegeschicht zeigen;
21 ein Diagramm ist, das die Änderung des Sättigungsfelds H_S und die Änderung der Austauschkopplungsenergie J bei einer Änderung der Dicke der nichtmagnetischen Schicht zeigt;
22 eine perspektivische Darstellung ist, die einen Magnetwiderstandseffekt-Sensor zeigt, bei dem der Magnetwiderstandseffekt-Schicht magnetische Anisotropie verliehen wurde;
23 eine Schnittdarstellung ist, die einen weiteren Magnetwiderstandseffekt-Sensor zeigt, bei dem der Magnetwiderstandseffekt-Schicht magnetische Anisotropie verliehen wurde;
24A ein Diagramm ist, das eine Magnetisierungskurve des in 15 gezeigten Magnetwiderstandseffekt-Sensors, die durch Messung in Richtung der (100)-Achse des MgO-Substrats erhalten wurde, zeigt;
24B eine kleine Schleife nahe dem Ursprung von 24A zeigt;
25 ein Diagramm ist, das eine Magnetisierungskurve des in 23 gezeigten Magnetwiderstandseffekt-Sensors, die durch Messung in Richtung der (110)-Achse des MgO-Substrats erhalten wurde, zeigt;
26 die Beziehung zwischen der Dicke der NiFe-Schicht und den Vorpolungsmagnetfeldeigenschaften, die erhalten wurden, wenn die Zahl der aufeinander gestapelten Schichten 60 und 15 beträgt, zeigt;
27A und 27B Darstellungen, die andere Anordnungen eines Magnetwiderstandseffekt-Sensors, der zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, zeigen, sind;
28 eine Schnittdarstellung, die einen Magnetwiderstandseffekt-Sensor zeigt, bei dem das durch den Lesestrom erzeugte Magnetfeld als Horizontalvorpolung angelegt wird, ist;
29A bis 29D Schnittdarstellungen zur Erläuterung der Stufen der Bildung einer magnetisch isolierenden Schicht zwischen Schichten eines künstlichen Gitters sind;
30A bis 30D Schnittdarstellungen zur Erklärung der Stufen der Herstellung eines Magnetwiderstandseffekt-Sensors, bei dem die Leseströme in Magnetwiderstandseffekt-Schichten entgegengesetzt zu den Signalströmen festgelegt sind, sind;
31 bis 33 Darstellungen sind, die weitere Anordnungen eines Magnetwiderstandseffekt-Sensors, der zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, zeigen;
34A und 34B einen Magnetwiderstandseffekt-Sensor zeigen, bei dem die Horizontalvorpolung gemäß dem weiche-Nachbarschicht-Schema angelegt wird; und
35 und 36 noch andere Anordnungen eines Magnetwiderstandseffekt-Sensors, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, zeigen.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Gemäß einem Beispiel, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, wird ein Magnetwiderstandseffekt-Element bereitgestellt, das umfasst: eine Mehrfachschicht, die durch Aufeinanderstapeln magnetischer und nichtmagnetischer Schichten derart, dass sich ein Magnetwiderstandseffekt ergibt, erhalten wurde; und eine Umkehrhilfsschicht, die in Kontakt mit der Mehrfachschicht gebildet wurde, zur Unterstützung des Umkehrens eines magnetischen Moments der Mehrfachschicht.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten intensive Untersuchungen an einem Magnetwiderstandseffekt-Element, mit dem ein hoher relativer Magnetwiderstand mit einem schwachen Magnetfeld erhalten werden kann, durch, und sie ermittelten die Tatsache, dass ein Sättigungsfeld unter Beibehalten eines ausreichend hohen relativen Magnetwiderstands verringert werden kann, indem auf einer Mehrfachschicht, die durch Aufein anderstapeln von magnetischen und nichtmagnetischen Schichten derart, dass sich ein Magnetwiderstandseffekt ergibt, erhalten wurde, eine Umkehrhilfsschicht zur Unterstützung des Umkehrens des magnetischen Moments der Magnetschicht ausgebildet wird. Das heißt, da das magnetische Moment der die Mehrfachschicht aufbauenden Magnetschicht aufgrund des Vorhandenseins der Umkehrhilfsschicht leicht umgekehrt wird, kann das magnetische Moment der Magnetschicht mit einem schwachen Magnetfeld unter Beibehalten des hohen relativen Magnetwiderstands durch die Mehrfachschicht umgekehrt werden. Daher kann eine hohe Empfindlichkeit erhalten werden. Dieses Beispiel beruht auf den Erkenntnissen der Erfinder der vorliegenden Erfindung.
Die die Mehrfachschicht aufbauende Magnetschicht wird aus beispielsweise einem Übergangsmetall, wie Fe, Co oder Ni, oder Legierungen, die mindestens eines dieser Übergangsmetalle enthalten, gebildet. Genauer gesagt, sind Fe_xCol_1-x-, Ni_xFel_1-x-, Ni_xCol_1-x- oder Ni_x(Fe_yCol_1-y)_1-x-Legierungen bevorzugt. Vorzugsweise sind zwei magnetische Schichten, die aneinander angrenzend sind, wobei eine der nichtmagnetischen Schichten zwischen diesen liegt, antiferromagnetisch miteinander gekoppelt, während im Wesentlichen kein magnetisches Feld angelegt ist. Eine antiferromagnetische Kopplung bedeutet, dass zwei magnetische Schichten, die aneinander angrenzend sind, wobei eine nichtmagnetische Schicht zwischen diesen liegt, derart miteinander gekoppelt sind, dass ihre magnetischen Momente in entgegengesetzte Richtungen weisen. Mit dieser Kopplung kann der relative Magnetwiderstand erhöht werden. Wenn die antiferromagnetische Kopplungskraft klein ist, kann das Sättigungsfeld H_S verringert werden und das gebildete Magnetwiderstandseffekt-Element ist als eine Anwendung, die einen Magnetkopf umfasst, geeignet. Die Dicke der Magnetschicht beträgt vorzugsweise 0,1 nm bis 10 nm. Wenn die Dicke der Magnetschicht außerhalb dieses Bereichs liegt, tendiert der relative Magnetwiderstand zu einer Verringerung. Eine stärker bevorzugte Schichtdicke beträgt 0,5 nm bis 7 nm. Die Schicht dicken und Zusammensetzungen der jeweiligen magnetischen Schichten müssen nicht die gleichen sein.
Das Material der nichtmagnetischen Schicht ist nicht speziell beschränkt, sofern es nichtmagnetisch ist und einen guten Magnetwiderstandseffekt zeigt. Beispielsweise können ein Metall, wie Cr, Ru, Cu, Al, Ag oder Au, oder eine Legierung, die ein derartiges Metall enthält, verwendet werden. Die Schichtdicke der nichtmagnetischen Schicht beträgt vorzugsweise 0,5 nm bis 10 nm. Wenn die Schichtdicke der nichtmagnetischen Schicht außerhalb dieses Bereichs liegt, ist der relative Magnetwiderstand verringert. Eine stärker bevorzugte Schichtdicke beträgt 0,7 nm bis 7 nm. Die Schichtdicken und Zusammensetzungen der jeweiligen nichtmagnetischen Schichten müssen nicht die gleichen sein.
Die Dicke und der relative Magnetwiderstand der nichtmagnetischen Schicht genügen der in 1 angegebenen Beziehung. Da der relative Magnetwiderstand in Bezug auf die Dicke der nichtmagnetischen Schicht oszilliert, wird die Dicke der nichtmagnetischen Schicht vorzugsweise innerhalb des im Vorhergehenden beschriebenen Bereichs so bestimmt, das ein hoher relativer Magnetwiderstand erhalten wird. Wie in 2 gezeigt, oszilliert das Sättigungsfeld ebenfalls in Bezug auf die Dicke der nichtmagnetischen Schicht, und die Peak-Position des Sättigungsfeldes überlappt mit der Peak-Position des relativen Magnetwiderstands. Daher ist es günstig, wenn die Dicke der nichtmagnetischen Schicht so bestimmt wird, dass der relative Magnetwiderstand und das Sättigungsfeld entsprechend den Anwendungen in Balance sind. Es ist anzumerken, dass 1 und 2 Diagramme sind, die bei Raumtemperatur durch Messen einer Mehrfachschicht, die durch Aufeinanderstapeln von 16 Paaren von magnetischen und nichtmagnetischen Schichten unter Verwendung einer Fe_0,1Co_0,9-Schicht mit einer Dicke von 1 nm als jeweilige magnetische Schicht und einer Co-Schicht mit einer Dicke von 1 nm als jeweilige nichtmagnetische Schicht erhalten wurde, erhalten wurden.
Die Mehrfachschicht wird durch Aufeinanderstapeln dieser magnetischen und nichtmagnetischen Schichten gebildet.
Die Umkehrhilfsschichten besitzen die Funktion der Unterstützung des Umkehrens des magnetischen Moments der die Mehrfachschicht aufbauenden magnetischen Schicht. Damit die Umkehrhilfsschicht diese Funktion zeigt, kann sie aus einem magnetischen Material mit einem weicheren Magnetismus als dem der Mehrfachschicht gebildet sein. Die Umkehrhilfsschicht kann die obige Funktion zeigen, wenn sie aus einem magnetischen Material mit einem weicheren Magnetismus als dem der magnetischen Schicht mit dem härtesten Magnetismus gebildet ist. "Weichen Magnetismus aufweisen" bedeutet, dass die Richtung des magnetischen Moments leicht umgekehrt werden kann, und der weiche Magnetismus kann durch beispielsweise die Koerzitivkraft (Hc) dargestellt werden. Das heißt, je kleiner Hc, desto weicher ist der Magnetismus. Es wird angenommen, dass, wenn die Umkehrhilfsschicht aus einem derartigen weichmagnetischen Material, das leicht umgekehrt werden kann, gebildet ist, das magnetische Moment in der magnetischen Schicht ohne weiteres durch die abwechselnde Funktion der Umkehrhilfsschicht und der magnetischen Schicht umgekehrt wird. Beispiele für das die Umkehrhilfsschicht aufbauende Material sind ein Übergangsmetall, wie Fe, Co oder Ni, und eine Legierung, die ein derartiges Übergangsmetall enthält, und ein Material, das weichen Magnetismus aufweist, beispielsweise ein herkömmliches weichmagnetisches Material, wie eine Permalloy, Supermalloy oder Sendust, ist bevorzugt. Die Schichtdicke der Umkehrhilfsschicht beträgt zweckmäßigerweise etwa 0,5 nm bis 100 nm und vorzugsweise 0,5 nm bis 20 nm. Um eine derartige Funktion als Umkehrhilfsschicht auszuüben, kann die Umkehrhilfsschicht aus einem Material mit weichem Magnetismus bestehen oder der Magnetismus der Umkehrhilfsschicht kann durch Erhöhen der Schichtdicke weich festgelegt werden. Das heißt, selbst wenn das zur magnetischen Schicht gleiche Material verwendet wird, kann die Umkehrhilfsfunktion ausgeübt werden, wenn die Dickenwerte der Umkehrhilfsschichten größer als die der magnetischen Schichten sind. Natürlich kann die Schichtdicke im Vergleich zu der der Magnetschicht erhöht werden, wenn ein Material mit weichem Magnetismus verwendet wird. Ge gebenenfalls besitzt eine Umkehrhilfsschicht vorzugsweise einen hohen elektrischen Widerstand. Dann kann eine große Strommenge der Mehrfachschicht mit dem Magnetwiderstandseffekt zugeführt werden.
Die Mehrfachschicht und die Umkehrhilfsschicht mit dem Magnetwiderstandseffekt gemäß der obigen Beschreibung werden im Allgemeinen von einem Substrat getragen. In diesem Fall ist das Material des Substrats nicht speziell beschränkt. Beispiele für das das Substrat bildende Material sind MgO, Cr, GdAS, Si, Cu, Fe, Co, Ni, LiF und CaF₂.
In dieser Ausführungsform sind Umkehrhilfsschichten auf einer Mehrfachschicht, die grundlegend den im Vorhergehenden beschriebenen Magnetwiderstandseffekt aufweist, unter Bildung eines Elements aufeinander gestapelt. Hierbei kann die Zahl der Mehrfachschichten eins oder mehr sein. Eine Mehrfachschicht oder Mehrfachschichten können nach der Bildung einer Umkehrhilfsschicht oder von Umkehrhilfsschichten gebildet werden. Ferner können Umkehrhilfsschichten zwischen einer Mehrzahl von Mehrfachschichten oder zwischen jeweils zwei aneinander grenzenden magnetischen Schichten gebildet werden.
Die Umkehrhilfsschicht kann an einem äußeren Endteil der Mehrfachschicht angebracht sein und die magnetische Schicht der Mehrfachschicht kontaktieren. Auch kann die Umkehrhilfsschicht zwischen dem Substrat und der Mehrfachschicht angeordnet sein und die nichtmagnetische Schicht der Mehrfachschicht kontaktieren.
Die Zahl der Umkehrhilfsschichten kann eins oder mehr sein. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Umkehrhilfsschichten mit dazwischen geschobenen nichtmagnetischen Schichten aufeinander gestapelt sein und eine Mehrfachschicht mit dem obigen Magnetwiderstandseffekt auf die Umkehrhilfsschichten gestapelt sein.
Mindestens eine der Umkehrhilfsschichten kann zwischen zwei magnetischen Schichten, der magnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht oder zwei nichtmagnetischen Schichten der Mehrfachschicht eingefügt sein.
Beispielsweise wird, wenn ein Zustand, wobei m oder n (m ≠ n) magnetische Schichten M, die jeweils eine Schichtdicke tM aufweisen, und m oder n nichtmagnetische Schichten N, die jeweils eine Schichtdicke tN aufweisen, abwechselnd unter Bildung einer Mehrfachschicht aufeinander gestapelt sind, als (tMM/tNN)_n, (tNN/tMM)_n, (tMM/tNN)_m oder (tNN/tMM)_m dargestellt wird, ein Zustand, worin 1 (1 ist eine ganze Zahl von mehr als 1) Mehrfachschichten und 1 Umkehrhilfsschichten M', die jeweils eine Schichtdicke von tM' aufweisen, abwechselnd aufeinander gestapelt sind, als [tM'M'/(tMM/tNN)_n]₁, [tM'M/tNN/(tMM/tNN)_n]₁, [(tMM/tNN)_n/tM'M']₁, [(tMM/tNN)_n/tMM/tM'M']₁, [tM'M/(tNN/tMM)n]₁, [(tM'M/(tNN/tMM/tMM)_n]₁, [(tNN/tMM)_n/tM'M]₁ oder [(tNN/tMM)_n/tNN/tM'M]₁, [(tNN/tMM)_m/(tM'M/(tNN/tMM)_n]₁ dargestellt.
In jedem der im Vorhergehenden beschriebenen Fälle ist es günstig, wenn die Umkehrhilfsschicht oder aus dem weichmagnetischen Material bestehende Schichten und eine oder zwei magnetische Schichten in der Mehrfachschicht einander kontaktieren bzw. berühren.
Die praktische Struktur des Magnetwiderstandseffekt-Elements dieses Beispiels wird beschrieben.
3 zeigt eine Anordnung, bei der eine Mehrfachschicht 4, die durch abwechselndes Aufeinanderstapeln von magnetischen und nichtmagnetischen Schichten 2 und 3 erhalten wurde, auf einem Substrat 1 gebildet ist, und eine Umkehrhilfsschicht 5 auf der Mehrfachschicht 4 gebildet ist.
4 zeigt eine Anordnung, bei der eine Umkehrinversionshilfsschicht 5 auf einem Substrat 1 gebildet ist, und eine Mehrfachschicht 4 auf der Umkehrhilfsschicht 5 gebildet ist.
5 zeigt eine Anordnung, die eine Mehrzahl von Mehrfachschichten 4 aufweist, bei der Umkehrhilfsschichten 5 zwischen den jeweiligen Mehrfachschichten 4 vorhanden sind.
6 zeigt eine Anordnung, bei der eine Mehrzahl von Inversionshilfsschichten 5 auf einem Substrat 1 mit dazwischenliegenden nichtmagnetischen Schichten 6 aufeinanderge stapelt sind, und eine Mehrfachschicht 4 auf der obersten Inversionsschicht 5 gebildet ist.
Ein Magnetwiderstandseffekt-Element mit einer wie im Vorhergehenden beschriebenen Anordnung wird gemäß einem üblichen Dünnschichtbildungsverfahren, beispielsweise Dampfphasenabscheidung, Sputtern oder Molekularstrahlepitaxie (MBE), gebildet. Die Schichtbildung oder ein Glühen kann in einem Magnetfeld zur Verringerung des Sättigungsfeldes durchgeführt werden.
7 zeigt ein Ionenstrahlsputtersystem als Beispiel eines Schichtbildungssystems. Eine Abluftöffnung 12 einer Kammer 11 ist mit einer Vakuumpumpe verbunden (nicht gezeigt), und der Druck in der Kammer 11 wird durch einen Druckmesser 13 gemessen. Eine Substrathalterung 14 ist in der Kammer 11 platziert, und ein Substrat 15 wird von der Substrathalterung 14 gehalten. Eine Heizvorrichtung 16 ist an der Substrathalterung 14 angebracht. Kühlwasser 17 fließt in der Nähe der Substrathalterung 14 zur Einstellung der Temperatur der Substrathalterung und des Substrats 15. Die Temperatur der Substrathalterung 14 wird durch ein Thermoelement 18 gemessen. Eine Verschlussvorrichtung 19 ist vor dem Substrat 15 angebracht. Eine Targethalterung 20 ist drehbar an einer Position gegenüber dem Substrat 15 angebracht und eine Mehrzahl von Targets 21 ist auf der Oberfläche der Targethalterung 20 montiert. Die Targethalterung 20 wird durch Kühlwasser 22 gekühlt. Eine Ionenkanone 23 ist an einer Position gegenüber den Targets 21 angebracht und Ar-Gas 24 wird der Ionenkanone 23 zugeführt.
Mit dieser Anordnung werden Ionen von der Ionenkanone 23 auf die Targets 21 geschossen. Danach werden die Targets 21 zerstäubt und die die Targets 21 bildenden Elemente auf dem Substrat 15 abgelagert.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben.
Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Bereitstellung eines Magnetwiderstandseffekt-Elements, das eine erste Mehrfachschicht, die durch Aufeinan derstapeln magnetischer und nichtmagnetischer Schichten derart, dass sich ein Magnetwiderstandseffekt ergibt, erhalten wurde, und eine zweite Mehrfachschicht, die durch Aufeinanderstapeln magnetischer und nichtmagnetischer Schichten derart, dass sich ein stärkeres Sättigungsfeld als das der ersten Mehrfachschicht ergibt, erhalten wurde, wobei die zweite Mehrfachschicht auf mindestens einem Endteil der ersten Mehrfachschicht zum Anlegen eines Vorpolungsmagnetfelds an die erste Mehrfachschicht ausgebildet ist, umfasst.
In dieser Ausführungsform trägt die erste Mehrfachschicht hauptsächlich den Magnetwiderstandseffekt und sie wird im Folgenden als der MR-Teil bezeichnet. Die zweite Mehrfachschicht ersetzt eine herkömmliche FeMn-Schicht und wird im Folgenden als der Magnetisierungsstabilisierungsteil bezeichnet.
Da der MR-Teil ein schwaches Sättigungsfeld aufweist, kann er den Magnetisierungszustand entsprechend einem schwachen magnetischen Feld von einem Aufzeichnungsmedium ändern. Infolgedessen kann der MR-Teil problemlos eine Änderung des Widerstands gemäß dem Magnetfeld bewirken. Der Magnetisierungsstabilisierungsteil wird an mindestens dem Endteil des MR-Teils ausgebildet. Da das Sättigungsfeld des Magnetisierungsstabilisierungsteils stärker als das des MR-Teils ist, kann der Magnetisierungszustand des Magnetisierungsstabilisierungsteil durch ein äußeres Magnetfeld nicht ohne weiteres geändert werden. Daher werden, wenn ein Vorpolungsmagnetfeld an den MR-Teil durch den Magnetisierungsstabilisierungsteil angelegt wird, die magnetische Schicht des Magnetisierungsstabilisierungsteils und die magnetische Schicht des MR-Teils magnetisch derart gekoppelt, dass magnetische Wände in den MR-Teilen nicht ohne weiteres erzeugt werden, wodurch ein Magnetwiderstandseffekt-Kopf mit geringem Rauschen bereitgestellt wird.
Beispielsweise wird eine sogenannte Schicht eines künstlichen Gitters, die durch Aufeinanderstapeln von beispielsweise einer magnetischen Schicht mit einer Dicke von 0,5 nm bis 5 nm und einer nichtmagnetischen Schicht mit einer Dicke von 0,5 nm bis 10 nm gebildet wurde, in dem MR-Teil oder in dem Magnetisierungsstabilisierungsteil verwendet. Die magnetischen Schichten des MR-Teils und des Magnetisierungsstabilisierungsteils können aus Fe, Co oder Ni oder Legierungen, die mindestens einer dieser Elemente enthalten, gebildet sein. Die nichtmagnetischen Schichten des MR-Teils und des Magnetisierungsstabilisierungsteils können aus Cr, Ru, Cu, Al oder Au oder Legierungen, die mindestens eines dieser Elemente enthalten, gebildet sein. Als MR-Teil kann eine (Co/Cu)_n-, (Co-Fe/Cu)_n-, (Permalloy/Cu/Permalloy)_n- oder (Permalloy/Co/ Cu)_n-Mehrfachschicht verwendet werden. Als Magnetisierungsstabilisierungsschicht kann eine (Fe/Cr)_n, (Fe/Ru)_n oder (Co/Cu)_n-Mehrfachschicht verwendet werden.
Der Wert des Sättigungsfeldes kann durch Ändern der Dicke der nichtmagnetischen Schichten, beispielsweise der Cu-Schichten, oder des MR-Teils oder des Magnetisierungsstabilisierungsteils geändert werden. Daher kann eine Mehrfachschicht, die nichtmagnetische Schichten mit unterschiedlichen Schichtdicken umfasst, üblicherweise selektiv als sowohl der MR-Teil als auch der Magnetisierungsstabilisierungsteil verwendet werden. In diesem Fall werden von der Mehrfachschicht nichtmagnetische Schichten mit einer kleineren Schichtdicke vorzugsweise als der Magnetisierungsstabilisierungsteil verwendet und nichtmagnetische Schichten mit einer größeren Schichtdicke vorzugsweise als der MR-Teil verwendet. Ferner kann das Sättigungsfeld einer Mehrfachschicht dadurch verringert werden, dass der magnetischen Schicht der Mehrfachschicht magnetische Anisotropie verliehen wird. Daher kann eine Mehrfachschicht, die eine magnetische Schicht, der magnetische Anisotropie verliehen wurde, aufweist, als MR-Teil verwendet werden, und eine Mehrfachschicht, der keine Anisotropie verliehen wurde und die ein großes Sättigungsfeld aufweist, als Magnetisierungsstabilisierungsteil verwendet werden. Es ist effektiv, wenn das Verhältnis H_S1/H_S2 des Sättigungsfeldes H_S1 des MR-Teils zu dem Sättigungsfeld H_S2 des Magnetisierungsstabilisierungsteils folgendes erfüllt: H_S1/H_S2 ≥ 1/5.
Der Magnetisierungsstabilisierungsteil und der MR-Teil sind miteinander derart magnetisch gekoppelt, dass von dem Magnetisierungsstabilisierungsteil ein Vorpolungsmagnetfeld an den MR-Teil angelegt wird. Das heißt, es genügt, wenn der Magnetisierungsstabilisierungsteil und der MR-Teil so gekoppelt sind, dass sie magnetisch beeinflusst werden. In diesem Fall ist es günstig, wenn sie mit einer dazwischenliegenden nichtmagnetischen Schicht magnetisch gekoppelt sind, da die Kopplungsstärke erhöht wird. Das an den MR-Teil anzulegende Vorpolungsmagnetfeld ist vorzugsweise ein vertikales Magnetfeld. Ferner werden Magnetisierungsstabilisierungsteile vorzugsweise nur an zwei Endteilen des MR-Teils gebildet. Es genügt, wenn die Magnetisierungsstabilisierungsteile an den MR-Teil ein starkes Vorpolungsmagnetfeld anlegen können, und sie müssen keinen Magnetwiderstandseffekt aufweisen.
In dieser Ausführungsform werden die jeweiligen Mehrfachschichten ebenfalls von einem Substrat getragen. In diesem Fall ist das Material der einzelnen Substrate nicht speziell beschränkt, wie in der ersten Ausführungsform, und MgO, Cr, GdAs, Si, Cu, Fe, Co, Ni, LiF, CaF₂ oder dergleichen können als Material des Substrats verwendet werden.
Die praktische Struktur des Magnetwiderstandseffekt-Elements gemäß dieser Ausführungsform wird beschrieben. Eine erste Mehrfachschicht 41, die durch abwechselndes Aufeinanderstapeln von magnetischen und nichtmagnetischen Schichten 32 und 33 erhalten wurde, wird auf einem Substrat 31 gebildet. Eine zweite Mehrfachschicht 42, die durch abwechselndes Aufeinanderstapeln magnetischer und nichtmagnetischer Schichten 34 und 35 erhalten wurde, wird auf der ersten Mehrfachschicht 41 gebildet, wobei die wie in 8 angegebene Struktur erhalten wird. Danach wird die zweite Mehrfachschicht 42 mikrogemustert, wobei ein wie in 9 angegebenes Magnetwiderstandseffekt-Element gebildet wird, in dem zweite Mehrfachschichten 42a nur an den Endbereichen der ersten Mehrfachschicht 41 gebildet sind. Unter Bezug auf 9 stellen Pfeile in den jeweiligen Mehrfachschichten die Richtung des Spins der magnetischen Schicht dar.
In dieser Ausführungsform kann jede Mehrfachschicht ohne weiteres gemäß RF-Magnetron-Sputtern, Ionenstrahl-Sputtern, Dampfphasenabscheidung oder dergleichen sowie MBE- und Ultrahochvakuum-Sputtern gebildet werden.
Das auf diese Weise erhaltene Magnetwiderstandseffekt-Element kann in einem Magnetwiderstandseffekt-Kopf, einem Magnetsensor oder dergleichen verwendet werden.
Ein weiteres Beispiel, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, wird nun beschrieben.
Gemäß diesem Beispiel wird ein Magnetwiderstandseffekt-Sensor bereitgestellt, der ein Substrat, eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht mit einem Magnetwiderstandseffekt, eine eine Vorpolung anlegende Schicht, die durch Aufeinanderstapeln magnetischer und nichtmagnetischer Schichten erhalten wird und in der zwei magnetische Schichten, die mit einer dazwischenliegenden nichtmagnetischen Schicht aneinander angrenzend sind, antiferromagnetisch derart gekoppelt sind, dass an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht eine Vorpolung angelegt wird, und eine leitende Schicht, die auf der Magnetwiderstandseffekt-Schicht oder der eine Vorpolung anlegenden Schicht gebildet ist, umfasst, wobei der Sensor ein Magnetfeld aufgrund einer Änderung des elektrischen Widerstands der Magnetwiderstandseffekt-Schicht erfasst.
In dem Magnetwiderstandseffekt-Sensor gemäß diesem Beispiel ist die eine Vorpolung anlegende Schicht eine Mehrfachschicht, die durch Aufeinanderstapeln magnetischer und nichtmagnetischer Schichten erhalten wird, wobei die magnetische Einheitsschicht bemerkenswert dünn ist und die über eine nichtmagnetische Schicht aneinandergrenzenden magnetischen Schichten antiferromagnetisch gekoppelt sind. Daher ist das nach außen dringende Leckmagnetfeld im Vergleich zu dem bei einer herkömmlichen Vorpolung einer hartmagnetischen Schicht auftretenden sehr klein.
Die Magnetwiderstandseffekt-Schicht kontaktiert die auf der Mehrfachschicht gebildete eine Vorpolung anlegende Schicht, und die Magnetwiderstandseffekt-Schicht und die eine Vorpolung anlegende Schicht sind austauschgekoppelt. Daher kann ein vorgegebenes Vorpolungsmagnetfeld an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht von der eine Vorpolung anlegenden Schicht angelegt werden. Hierbei kann der Wert des Vorpolungsmagnetfelds durch die Austauschkopplungskraft gesteuert werden. Die Austauschkopplungskraft kann über einen breiten Bereich bis zu dem mehrere 100-fachen entsprechend der Dicke und der Art der jeweiligen nichtmagnetischen Schichten der Mehrfachschicht gesteuert werden. Infolgedessen kann das vorgegebene Vorpolungsmagnetfeld entsprechend den Spezifikationen eines erforderlichen Magnetwiderstandseffekt-Sensors ohne weiteres angelegt werden.
Das Material des Substrats ist nicht speziell beschränkt, und Keramiken auf Al₂O₃-TiO₂-Basis können in geeigneter Weise verwendet werden.
Als Material der Magnetwiderstandseffekt-Schicht kann ein Material mit einem hohen Magnetwiderstandseffekt, beispielsweise eine NiFe-Legierung, wie eine Ni₈₀Fe₂O-Legierung (Permalloy), eine NiCo-Legierung und dergleichen, verwendet werden. Die im Vorhergehenden beschriebene Mehrfachschicht kann als die Magnetwiderstandseffekt-Schicht verwendet werden.
Als das Material der magnetischen Schicht der eine Vorpolung anlegenden Schicht kann ein Übergangsmetall oder eine dieses Metall enthaltende Legierung, beispielsweise Co, Fe oder eine CoFe-Legierung, verwendet werden. Die Dicke der magnetischen Schicht beträgt vorzugsweise 0,3 nm bis 10 nm. Wenn die Dicke der magnetischen Schicht weniger als 0,3 nm beträgt, ist die antiferromagnetische Kopplung zwischen angrenzenden magnetischen Schichten verringerte wenn die Dicke der magnetischen Schicht 10 nm übersteigt, ist die magnetostatische Energie der einzelnen magnetischen Schichten erhöht und die Dicke der gesamten Mehrfachschicht erhöht.
Als Material der nichtmagnetischen Schicht der eine Vorpolung anlegenden Schicht kann mindestens ein Element, das aus der aus Cu, Ru, Cr, Rh, Re, V, W, Mo, Ta und Nb bestehenden Gruppe ausgewählt ist, verwendet werden. Die Dicke der nichtmagnetischen Schicht beträgt vorzugsweise 0,5 nm bis 10 nm. Wenn die Dicke der nichtmagnetischen Schicht außerhalb dieses Bereichs liegt, ist die antiferromagnetische Kopplung zwischen angrenzenden magnetischen Schichten verringert.
Antiferromagnetische Kopplung bedeutet, dass zwei magnetische Schichten, die mit einer dazwischenliegenden nichtmagnetischen Schicht aneinanderangrenzen, miteinander derart gekoppelt sind, dass ihre magnetischen Momente in entgegengesetzte Richtungen weisen. Sowohl Austauschkopplung als auch magnetostatische Kopplung sind akzeptabel.
In der eine Vorpolung anlegenden Schicht zeigt, wenn Co als das Material der magnetischen Schicht verwendet wird und Ru, eine CuNi-Legierung oder dergleichen als das Material der nichtmagnetischen Schicht verwendet wird, der gebildete Magnetwiderstandseffekt-Sensor im Vergleich zu einem Sensor, der ein antiferromagnetisches Element, das aus einer FeMn-Legierung oder dergleichen besteht, verwendet, eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit.
In der eine Vorpolung anlegenden Schicht können die Stärke des Vorpolungsmagnetfeldes, das an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht angelegt wird, und das Sättigungsfeld H_S, das die Stabilität der eine Vorpolung anlegenden Schicht insgesamt in der Magnetisierungsrichtung darstellt, getrennt gesteuert werden, indem die Dicke der nichtmagnetischen Schicht, die der Magnetwiderstandseffekt-Schicht am nächsten liegt, und die Dicke anderer nichtmagnetischer Schichten geändert und magnetische Anisotropie, beispielsweise magnetische Anisotropie von Kristallen, genutzt wird. Beispielsweise kann die Stärke des Vorpolungsmagnetfeldes für die Magnetwiderstandseffekt-Schicht gesteuert werden, während ein bemerkenswert starkes Sättigungsfeld H_S einer Höhe von 500 bis 1000 kA/m beibehalten wird. Infolgedessen kann verhindert werden, dass die Eigenschaften der eine Vorpolung anlegenden Schicht durch das Magnetfeld von dem Magnetaufzeichnungsmedium gestört werden.
Die leitende Schicht wird auf der Magnetwiderstandseffekt-Schicht oder der eine Vorpolung anlegenden Schicht ge bildet, und Cu oder dergleichen kann als Material der leitenden Schicht verwendet werden.
Die eine Vorpolung anlegende Schicht kann durch ein Dünnschichtbildungsverfahren, beispielsweise Ultrahochvakuumsputtern, Ionenstrahlsputtern oder dergleichen, auf die gleiche Weise wie die Schichten eines künstlichen Gitters des ersten Beispiels, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist, und der Ausführungsform gebildet werden.
Als an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht anzulegende Longitudinalvorpolung kann eine herkömmlicherweise verwendete Nebenschlussvorpolung, Vorpolung einer weichmagnetischen Schicht oder Vorpolung einer zweilagigen Magnetwiderstandschicht verwendet werden.
Die Zahl der mit den nichtmagnetischen Schichten abgewechselten magnetischen Schichten in der eine Vorpolung anlegenden Schicht muss zwei oder mehr betragen. Die Zahl der magnetischen Schichten kann gleich oder ungleich der Zahl der nichtmagnetischen Schichten sein. Wenn sie ungleich sind, wenn beispielsweise die Zahl der magnetischen Schichten eine gerade Zahl und die Zahl der nichtmagnetischen Schichten eine ungerade Zahl ist, können die oberste und unterste Schicht der Schicht eines künstlichen Gitters antiparallel zueinander eingestellt sein. Hierbei sind die magnetische Schicht der eine Vorpolung anlegenden Schicht und die Magnetwiderstandseffekt-Schicht, wenn sie einander kontaktieren, ferromagnetisch austauschgekoppelt. Wenn die nichtmagnetische Schicht der eine Vorpolung anlegenden Schicht die Magnetwiderstandseffekt-Schicht kontaktiert, sind sie magnetostatisch gekoppelt. In jedem Fall wird an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht ein wirksames Vorpolungsmagnetfeld so angelegt, dass die Magnetwiderstandseffekt-Schicht so eingestellt wird, dass sie eine einzige magnetische Domäne umfasst.
Wenn eine eine Vorpolung anlegende Schicht nur an den zwei Endteilen der Magnetwiderstandseffekt-Schicht gebildet werden, muss das vertikale Vorpolungsmagnetfeld nicht streng ausgerichtet sein, wodurch das Element vereinfacht wird.
Die Teilestruktur des Magnetwiderstandseffekt-Sensors dieser Ausführungsform wird beschrieben.
10 zeigt eine Anordnung eines Sensors dieser Ausführungsform. In 10 bezeichnet die Bezugszahl 51 ein Substrat. Nebenschlussvorpolungsschichten 52 und 53, eine Magnetwiderstandsschicht 54, eine eine Vorpolung anlegende Schicht 55 und eine leitende Schicht 56 sind in dieser Reihenfolge auf dem Substrat 51 gebildet. Die eine Vorpolung anlegende Schicht 55 besitzt eine Schichtstruktur eines künstlichen Gitters, in der magnetische und nichtmagnetische Schichten 61 und 62 wie in 11 angegeben abwechselnd aufeinandergestapelt sind.
BEISPIELE
Ein Beispiel der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zusammen mit einigen Beispielen, die zum Verständnis der Erfindung verwendbar sind, beschrieben.
Beispiel 1, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist
Unter Verwendung des in 7 gezeigten Sputtersystems, das im Vorhergehenden beschrieben ist, wurden Magnetwiderstandseffekt-Elemente wie in 1 angegeben gemäß den folgenden Verfahrensmaßnahmen gefertigt.
Das Innere der Kammer 11 wurde bis zu einem Vakuumgrad von 4 × 10^–7 Torr evakuiert, Ar-Gas 24 (Reinheit: 99,99%) wurde der Ionenkanone 23 zugeführt, bis der Partialdruck 1,5 × 10^–4 Torr erreichte, und Ar wurde ionisiert und auf die Targets 21 als Ionenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 700 V und einem Strahlstrom von 30 mA gestrahlt. Die Targets 21 umfassen drei Arten, d. h. ein aus Co bestehendes Target als magnetisches Material, das die magnetische Schicht der Mehrfachschicht, die den Magnetwiderstandseffekt zeigt, bildet, ein Target, das aus Cu besteht, als nichtmagnetisches Metall, das die nichtmagnetische Schicht bildet, und ein Target, das aus einer 80 Gew.-% Ni/20 Gew.-% Fe-Legierung (im Folgenden als Permalloy bezeichnet) besteht, als magnetisches Metall, das die magnetische Umkehrhilfsschicht bildet. Die Targethalterung 20 wurde jeweils nach einer vorgegebenen Zeitspanne durch Schalten gedreht. Die Schichtdicke von Co wurde auf 1 nm eingestellt, die Schichtdicke von Cu wurde auf 1,1 nm eingestellt, die Zahl der Wiederholungen der Co- und Cu-Schichten wurde auf 60 eingestellt, und die Schichtdicke der Permalloy-Schicht wurde im Bereich von 2,5 nm bis 50 nm geändert. (110)-Einkristall-MgO wurde als Material des Substrats 15 verwendet, und die Substrattemperatur wurde auf Raumtemperatur eingestellt. Zusätzlich zu den Prüflingen Nr. 1 bis 10 wurde ein Prüfling des Vergleichsbeispiels 1, bei dem eine Permalloy-Schicht als Umkehrhilfsschicht nicht gebildet wurde, auf diese Weise gefertigt.
Tabelle 1
Die Magnetwiderstandseffekte der auf obige Weise gefertigten Magnetwiderstandseffekt-Elemente in Bezug auf das äußere Magnetfeld wurden gemäß dem üblichen Vier-Punkt-Verfahren gemessen.
12 zeigt die Beziehung zwischen dem äußeren Magnetfeld (H) und dem relativen Magnetwiderstand (ΔR/Rs) von Vergleichsbeispiel 1 und Prüfling Nr. 2. Aus 2 ist ersichtlich, dass im Vergleichsbeispiel 1, worin keine Umkehrhilfsschicht gebildet ist, der relative Magnetwiderstand (ΔR/Rs) 35% beträgt und das Sättigungsfeld (H_S) 6 kOe beträgt, während in Prüfling Nr, 2, obwohl der relative Magnetwiderstand (ΔR/Rs) unverändert 35% beträgt, das Sättigungsfeld (H_S) stark auf 1 kOe verringert ist. Auf diese Weise wurde festgestellt, dass das Magnetwiderstandseffekt-Element durch Bereitstellen einer Umkehrhilfsschicht einen besseren Magnetwiderstandseffekt zeigte.
Die gleichen Messungen wie die im Vorhergehenden beschriebenen wurden für die Prüflinge anderer Beispiele durchgeführt, und es wurden zu den von Prüfling Nr. 2 ähnliche Ergebnisse erhalten.
Ferner wurden Prüflinge durch Ändern der Materialien, die die magnetischen und nichtmagnetischen Schichten der Mehrfachschichten bilden, und deren Dickenwerte gefertigt, und deren Magnetwiderstandseffekte und Sättigungsfelder gemessen. Zu den von Prüfling Nr. 2 ähnliche Effekte wurden erhalten.
Beispiel 2, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist
Unter Verwendung einer 79 Gew.-% Ni/16 Gew.-% Fe/5 Gew.-% Mo-Legierung (im Folgenden als Supermalloy bezeichnet) als weichmagnetisches Material, das die Umkehrhilfsschicht bildet, unter Verwendung einer 1 nm dicken Co_0,9Fe_0,1-Legierung (im Folgenden als Co9Fe bezeichnet) als magnetische Schicht der Mehrfachschicht mit dem Magnetwiderstandseffekt, unter Verwendung einer 1,1 nm dicken Cu-Schicht als nichtmagnetische Schicht, unter Einstellen der Zahl der Wiederholungen der Co9Fe-Legierungsschicht und der Cu-Schicht auf 60 und unter Verwendung von (110) Einkristall-MgO als Material des Substrats wurden Magnetwiderstandseffekt-Elemente mit den wie in Tabelle 2 angegebenen Schichtstrukturen gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 gefertigt. Zusätzlich zu den Prüflingen Nr. 11 bis 19 wurde ein Prüfling des Vergleichsbeispiels 2, bei dem eine Permalloy-Schicht als Umkehrhilfsschicht nicht gebildet wurde, auf diese Weise gefertigt.
Tabelle 2
Die Einflüsse auf den relativen Magnetwiderstand (ΔR/Rs) der auf diese Weise gefertigten Magnetwiderstandseffekt-Elemente unter Bezug auf das äußere Magnetfeld (H) wurden gemessen.
13 zeigt die Beziehung zwischen der Dicke der Supermalloy-Schichten der Prüflinge Nr. 11 bis 15 und dem rela tiven Magnetwiderstand, und die Beziehung zwischen der Dicke und dem Sättigungsfeld. Aus 13 ist ersichtlich, dass der relative Magnetwiderstand 40% und das Sättigungsfeld 4 kOe beträgt, wenn keine Supermalloy-Legierung bereitgestellt wird, während der relative Magnetwiderstand 47% und das Sättigungsfeld nur 2 kOe wird, indem eine 2,5 nm dicke Supermalloy-Schicht bereitgestellt wird. Auch wird, wenn die Schichtdicke erhöht wird, obwohl der relative Magnetwiderstand allmählich verringert wird, das Sättigungsfeld stark verringert. Auf diese Weise wurde festgestellt, dass ein hoher relativer Magnetwiderstand mit einem schwachen Magnetfeld erhalten wird, indem eine aus einem weichmagnetischen Material bestehende Umkehrhilfsschicht bereitgestellt wird. Ähnliche Wirkungen wurden für andere auf ähnliche Weise gemessene Prüflinge erhalten.
Ferner wurden Prüflinge als die Umkehrhilfsschicht bildende weichmagnetische Schicht unter Verwendung verschiedener Materialien, beispielsweise 85 At.-% Fe/5 At.-% Al/10 At.-% Si (Sendust), 45 At.-% Ni/25 At.-% Co/30 At.-% Fe (Permendur), 90 At.-% Co, 10 At.-% Zr oder dergleichen, gefertigt. Ihre Magnetwiderstandseffekte wurden gemessen und zu den im Vorhergehenden beschriebenen ähnliche Effekte wurden erhalten.
Beispiele 3, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist
Unter Verwendung einer 5 nm dicken Fe-Schicht als weichmagnetisches Material als Umkehrhilfsschicht, unter Verwendung einer 1 nm dicken Co9Fe-Legierung als magnetische Schicht der Mehrfachschicht mit dem Magnetwiderstandseffekt, unter Verwendung einer 1,1 nm dicken Cu-Schicht als nichtmagnetische Schicht, unter Einstellen der Zahl der Wiederholungen der magnetischen und nichtmagnetischen Schichten auf 15, unter Verwendung von (110)-Einkristall-MgO als Material des Substrats und unter Bereitstellen einer Fe-Pufferschicht zwischen dem Substrat und der Mehrfachschicht wurden Magnetwiderstandseffekt-Elemente mit den in Tabelle 3 angegebenen Schichtstrukturen gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 gefertigt. Zusätzlich zu den Prüflingen Nr. 21 und 22 von Beispiel 3 wurde ein Prüfling des Vergleichsbeispiels 3, bei dem eine Fe-Schicht als Umkehrhilfsschicht nicht gebildet wurde, gefertigt.
Tabelle 3
Die Beziehung zwischen den äußeren Magnetfeldern und dem relativen Magnetwiderstand der auf diese Weise gefertigten Magnetwiderstandseffekt-Elemente wurde gemäß Beispiel 1 bewertet.
14A, 14B und 14C zeigen den Einfluss des relativen Magnetwiderstands der Prüflinge Nr. 21 und 22 und des Vergleichsbeispiels 3 auf das äußere Feld. Aus 31A, 31B und 31C ist ersichtlich, dass die jeweiligen Sättigungsfelder (H_S) 700 Oe, 14, kOe und 1,6 kOe sind, was belegt, dass das Sättigungsfeld des Vergleichsbeispiels 3 erhöht ist, während der relative Magnetwiderstand überall 30% beträgt, was belegt, dass im Wesentlichen keine Änderung erfolgt ist. Auf diese Weise wurde festgestellt, dass das Sättigungsfeld verringert werden konnte, während ein hoher relativer Magnetwiderstand beibehalten wurde, indem eine Umkehrhilfsschicht bereitgestellt wird.
Beispiel 4, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist
Unter Verwendung von zwei 5 nm dicken Ni_0,8Fe_0,2-Schichten mit einer dazwischenliegenden 1 nm dicken Cu-Schicht als als Umkehrhilfsschichten dienende weichmagnetische Schichten, unter Verwendung einer 0,7 nm dicken Fe_0,25Co_0,75-Legierung als magnetische Schicht bzw. einer 1 nm dicken Cu-Schicht als nichtmagnetische Schicht der Mehrfachschicht mit dem Magnetwiderstandseffekt, unter Verwendung von (110)-Einkristall-MgO als Material des Substrats und unter Bereitstellung einer Fe-Pufferschicht zwischen dem Substrat und der Mehrfachschicht wurden Magnetwiderstandseffekt-Elemente mit den in Tabelle 4 angegebenen Schichtstrukturen gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 gefertigt. Zusätzlich zu Prüfling Nr. 23 von Beispiel 4 wurde ein Prüfling des Vergleichsbeispiels 4, bei dem eine Umkehrhilfsschicht nicht gebildet wurde, gefertigt.
Tabelle 4
Der Einfluss des relativen Magnetwiderstands der auf diese Weise gefertigten Magnetwiderstandseffekt-Elemente auf das äußere Magnetfeld wurde gemäß Beispiel 1 bewertet.
15 zeigt die Beziehung zwischen dem äußeren Magnetfeld und dem relativen Magnetwiderstand des Prüflings Nr. 23 von Beispiel 4 und von Vergleichsbeispiel 4. Unter Bezug auf 15 bezeichnet das Bezugssymbol a den Prüfling Nr. 23 und b das Vergleichsbeispiel 4. Aus 15 ist ersichtlich, dass die Sättigungsfelder (H_S) 3 kOe bzw. 6,5 kOe betragen, was belegt, dass das Sättigungsfeld des Vergleichsbeispiels 4 groß ist, während beide relativen Magnetwiderstände 25 betragen, was im Wesentlichen keine Veränderung anzeigt. Auf diese Weise wurde festgestellt, dass das Sättigungsfeld vermindert werden konnte, während ein hoher relativer Magnetwi derstand beibehalten wird, indem eine Umkehrhilfsschicht bereitgestellt wird.
Beispiel 5, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist
Unter Verwendung einer 4 nm dicken Fe-Schicht als als Umkehrhilfsschicht dienendes weichmagnetisches Material, unter Verwendung einer 1,5 nm dicken Ni_0,4(Fe_0,5Co_0,5)_0,6-Legierung als magnetische Schicht der Mehrfachschicht mit Magnetwiderstandseffekt, unter Verwendung einer 1 nm dicken Cu-Schicht als nichtmagnetische Schicht, unter Verwendung von Quarz als Material des Substrats und unter Bereitstellung einer 5 nm dicken Fe-Pufferschicht zwischen dem Substrat und der Mehrfachschicht wurden Magnetwiderstandseffekt-Elemente mit den in Tabelle 5 angegebenen Schichtstrukturen gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 gefertigt. Zusätzlich zu Prüfling Nr. 24 als Prüfling des Beispiels 5 wurde eine Prüfling des Vergleichsbeispiels 5, bei dem eine Fe-Schicht als Umkehrhilfsschicht nicht gebildet wurde, gefertigt.
Tabelle 5
Die Beziehung zwischen dem äußeren Magnetfeld und dem relativen Magnetwiderstand der auf diese Weise gefertigten Magnetwiderstandseffekt-Elemente wurde gemäß Beispiel 1 bewertet.
16 zeigt die Beziehung zwischen dem äußeren Magnetfeld und dem relativen Magnetwiderstand von Prüfling Nr. 24 und Vergleichsbeispiel 5. In 16 bezeichnet das Bezugssymbol a den Prüfling Nr. 24 und b das Vergleichsbeispiel 5.
Aus 16 ist ersichtlich, dass die Sättigungsfelder (H_S) 0,9 kOe bzw. 2 kOe betragen, was belegt, dass das Sättigungsfeld des Vergleichsbeispiels 5 groß ist, während der jeweilige relative Magnetwiderstand 16% beträgt, was im Wesentlichen keine Änderung anzeigt. Auf diese Weise wurde festgestellt, dass das Sättigungsfeld vermindert werden konnte, während ein hoher relativer Magnetwiderstand beibehalten wurde, indem eine Umkehrhilfsschicht bereitgestellt wird.
Beispiel 6, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist
Unter Verwendung einer 2,5 nm dicken Permalloy-Schicht als als Umkehrhilfsschicht dienendes weichmagnetisches Material, unter Verwendung einer 1 nm dicken C_0,9Fe-Schicht als magnetische Schicht der Mehrfachschicht mit dem Magnetwiderstandseffekt, unter Verwendung einer 1 nm dicken Cu-Schicht als nichtmagnetische Schicht, unter Einstellung der Zahl der Wiederholungen der magnetischen und nichtmagnetischen Schichten auf 60, unter Verwendung von (110)-Einkristall-MgO als Material des Substrats wurde ein Magnetwiderstandseffekt-Element mit den in Tabelle 6 angegebenen Schichtstrukturen gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 gefertigt. Zusätzlich zu Prüfling Nr. 25 als dem Prüfling von Beispiel 6 wurde ein Prüfling des Vergleichsbeispiels 4, bei dem eine Permalloy-Schicht als die Umkehrhilfsschicht nicht gebildet wurde, gefertigt.
Tabelle 6
Die Beziehung zwischen dem äußeren Magnetfeld und dem relativen Magnetwiderstand der auf diese Weise gefertigten Mag netwiderstandseffekt-Elemente wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 bewertet.
17 zeigt die Beziehung zwischen dem äußeren Magnetfeld und dem relativen Magnetwiderstand des Prüflings Nr. 25 und von Vergleichsbeispiel 6. In 17 bezeichnet das Bezugssymbol a den Prüfling Nr. 25 und b das Vergleichsbeispiel 6. Aus 17 ist ersichtlich, dass die Sättigungsfelder (H_S) 2,4 kOe bzw. 3,7 kOe betragen, was belegt, dass das Sättigungsfeld des Vergleichsbeispiels 6 groß ist, während die relativen Magnetwiderstandswerte zueinander gleich sind. Auf diese Weise wurde festgestellt, dass das Sättigungsfeld verringert werden konnte, während ein hoher relativer Magnetwiderstand beibehalten wurde, indem eine Umkehrhilfsschicht bereitgestellt wird.
Als nächstes wurde unter Änderung der Dicke der Permalloy-Schicht der Einfluss des relativen Magnetwiderstands (ΔR/Rs) der auf diese Weise gefertigten Magnetwiderstandseffekt-Elemente in Bezug auf das äußere Magnetfeld (H) gemessen.
18 zeigt die Beziehung zwischen der Dicke der Permalloy-Schichten und dem Sättigungsfeld und die Beziehung zwischen der Dicke und dem relativen Magnetwiderstand.
Aus 18 ist ersichtlich, dass das Sättigungsfeld 3,2 kOe beträgt, wenn keine Permalloy-Schicht bereitgestellt wird, während das Sättigungsfeld auf 2 kOe abnimmt, indem eine 2,5 nm dicke Permalloy-Schicht bereitgestellt wird. Der ΔR/Rs-Wert wird bei 47 bis 50% gehalten, selbst wenn die Dicke der Permalloy-Schicht geändert wird. Auf diese Weise wurde festgestellt, dass ein niedriges Sättigungsfeld erhalten wurde, wobei ein hoher relativer Magnetwiderstand beibehalten wurde, indem eine Umkehrhilfsschicht eines weichmagnetischen Materials mit einer geeigneten Dicke bereitgestellt wird.
Beispiel 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
Ein Beispiel, bei dem eine (Co_0,9Fe_0,1/Cu/Permalloy)_n-Mehrfachschicht als MR-Teil und eine (Co/Cu)_n-Mehrfachschicht als Magnetisierungsstabilisierungsteil verwendet wurde, wird im Folgenden beschrieben. Die Schichtabscheidung wurde gemäß der in 7 gezeigten Ionenstrahlsputtervorrichtung durchgeführt.
Das Innere der Kammer 11 wurde bis zu einem Vakuumgrad von 5 × 10^–7 Torr evakuiert, Ar wurde bis zu 1 × 10^–9 Torr eingeführt, und Sputtern wurde mit 500 V – 30 mA durchgeführt. Als die Targets 21 wurden eine Fe_0,1Co_0,9-Legierung, eine Permalloy, Co und Cu vorbereitet. Quarz wurde zur Bildung eines Substrats 15 verwendet. Eine (25 Å Fe_0,1Co_0,9/30 Å Cu)₂₀-Mehrfachschicht 21 wurde auf dem Substrat 15 gebildet, und eine (10 Å Co/10 Å Cu)₃₀-Mehrfachschicht 22, die mit einer Cu-Schicht gesputtert wurde, wurde auf der Mehrfachschicht 21 gebildet (siehe 8). Die gebildete Struktur wurde durch Mikrobemusterung derart bemustert, dass sie die in 9 gezeigte Struktur aufwies. Diese (10 Å Co/10 Å Cu)₃₀-Mehrfachschicht wurde als als Magnetisierungsstabilisierungsteil dienende zweite Mehrfachschicht 22a verwendet.
Der Magnetwiderstandseffekt von nur der ersten Mehrfachschicht 21, die als der MR-Teil des Elements dient, das derart bemustert wurde, dass es die in 9 gezeigte Struktur aufwies, wurde gemessen. Obwohl der relative Magnetwiderstand 12% betrug, was keine Veränderung anzeigte, war das Sättigungsfeld auf 50 Oe vermindert, und es wurde im Wesentlichen keine Hysterese beobachtet. Dies kann dadurch bedingt sein, dass die Bildung der magnetischen Wände durch den Magnetisierungsstabilisierungsteil 22a, der als die Mehrfachschicht mit einem starken Sättigungsfeld dient, unterdrückt wurde, wodurch die Magnetisierung des MR-Teils 21 unidirektional stabilisiert wurde. Dies bedeutet, dass ein Magnetwiderstandseffekt-Kopf mit niedrigem Rauschen mit diesem Verfahren bereitgestellt werden kann.
Die Magnetwiderstandseffekte der (25 Å Fe_0,1Co_0,9/30 Å Cu)₂₀-Mehrfachschicht (MR-Teil) und der (10 Å Co/10 Å Cu)₃₀-Mehrfachschicht (Magnetisierungsstabilisierungsteil), die als Vergleichsbeispiel gefertigt wurden, wurden gemessen. Die re lativen Magnetwiderstände betrugen 12% und 2% und die Sättigungsfelder betrugen 150 Oe und 9 kOe.
Hierbei war, obwohl das Sättigungsfeld des MR-Teils beträchtlich kleiner als das des Magnetisierungsstabilisierungsteils war, dieses dennoch zu groß, um es für einen Magnetwiderstandseffekt-Kopf zu verwenden. Auch wurde Hysterese beobachtet. Dies kann dadurch begründet sein, dass die Magnetisierung der MR-Schicht partiell von einer Richtung abwich, was das Sättigungsfeld erhöhte, und eine Hysterese der MR-Kurve bewirkte.
Das auf diese Weise erhaltene Magnetwiderstandseffekt-Element kann in einem Magnetwiderstandskopf verwendet werden, wobei ein magnetischer Fluss eines Signals als Signalstrom von einem Magnetaufzeichnungsmedium 81 durch einen Leitungsdraht 82 wie in 19 gezeigt abgeleitet wird.
Beispiel 7, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist
In diesem Beispiel wird ein unterschiedlicher Magnetwiderstandssensor der dritten Ausführungsform angegeben. In dem in 10 gezeigten, im Vorhergehenden beschriebenen Sensor sind Nebenschlussvorpolungsschichten 52 und 53 zum Anlegen der Horizontalvorpolung nacheinander auf dem Substrat 51 ausgebildet. Die Nebenschlussvorpolungsschicht 52 ist eine aus Ti oder dergleichen bestehende Vorpolungsstromschicht und die Nebenschlussvorpolungsschicht 52 ist eine aus TiN, TiO₂ oder dergleichen bestehende Schicht hohen Widerstands. Eine aus einer NiFe-Legierung oder dergleichen bestehende Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 ist auf der Nebenschlussvorpolungsschicht 53 ausgebildet. Eine eine Vorpolung anlegende Schicht 55 zum Anlegen des vertikalen Vorpolungsmagnetfeldes an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 ist auf der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 gebildet. Eine leitende Schicht 56 zum Zuführen eines Stroms zu der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 ist partiell auf einer Region der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 gebildet.
Die eine Vorpolung anlegende Schicht 55 ist die Mehrschichtstruktur, bei der magnetische und nichtmagnetische Schichten 61 und 62 abwechselnd aufeinandergestapelt sind und die mindestens zwei magnetische Schichten 61 umfasst, wie in der im Vorhergehenden beschriebenen 11 gezeigt ist. Die einzelnen magnetischen Schichten 61 bestehen aus Co, Fe, einer CoFe-Legierung oder dergleichen und die einzelnen nichtmagnetischen Schichten 62 bestehen aus Cu, Cr oder dergleichen. Die magnetischen und nichtmagnetischen Schichten 61 und 62 sind abwechselnd auf diese Weise aufeinandergestapelt und die magnetischen Schichten 61, die über eine nichtmagnetische Schicht 62 aneinander grenzen, sind antiferromagnetisch gekoppelt. Infolgedessen kann das vertikale Vorpolungsmagnetfeld von einer magnetischen Schicht 61 der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55, die die nächstliegende zur Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 ist, an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54, die unter der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 als Mehrfachschicht gebildet ist, angelegt werden.
An der Grenzfläche der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 und der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 kontaktiert die magnetische Schicht der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54, wie in 20A angegeben ist, oder die nichtmagnetische Schicht 62 der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 kontaktiert die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54, wie in 20B angegeben ist. Wenn die Kristallstrukturen der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 und die magnetischen Schichten 61 verschieden sind (beispielsweise wenn eine NiFe-Schicht als die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 verwendet wird und Fe-Schichten als die magnetischen Schichten 61 verwendet werden), ist, wenn die nichtmagnetische Schicht 62 und die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 einander kontaktieren, die magnetische Kopplung zwischen den magnetischen Schichten 61 und der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 geschwächt. Daher ist die Struktur von 20A, bei der die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 und die magnetische Schicht 61 einander kontaktieren, bevorzugt.
Das Sättigungsfeld H_S und die Austauschkopplungsenergie J können durch Ändern der Dickenwerte der nichtmagnetischen Schichten 62 der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 gesteuert werden. Beispielsweise zeigt 13 die hinsichtlich des Sättigungsfeld H_S und der Austauschkopplungsenergie J erhaltenen Änderungen durch Änderung der Dickenwerte der nichtmagnetischen Schichten 62 in einer eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 mit einer Struktur, bei der Co als das Material der magnetischen Schichten 61 verwendet wird und Cu als das Material der nichtmagnetischen Schichten 62 verwendet wird, wobei die Zahl der magnetischen und nichtmagnetischen Schichten 61 und 62, die eine Einheitsschichtdicke von 1,8 nm aufweisen, jeweils auf 8 festgesetzt wurden. Die Austauschkopplungsenergie J kann aus dem Sättigungsfeld H_S der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55, das aus der Magnetisierungskurve ermittelt wurde gemäß der folgenden Gleichung (1): HS = 4·J/(d·Ms) (1) wobei Ms die Sättigungsmagnetisierung der einzelnen magnetischen Schichten 61 ist und d die Dicke der einzelnen magnetischen Schichten ist, erhalten werden.
Aus 21 ist ersichtlich, dass die Austauschkopplungsenergie (Austauschkopplungskraft), d. h. das an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 anzulegende Vorpolungsmagnetfeld, durch Einstellen der Dicke der einzelnen nichtmagnetischen Schichten 62 gesteuert werden kann. Ferner kann die Austauschkopplungskraft durch Ändern des Materials der einzelnen nichtmagnetischen Schichten 62 eingestellt werden. Tabelle ⁷ zeigt Beispiele für die Austauschkopplungskraft. Tabelle 7 zeigt die Beziehung zwischen den Arten der nichtmagnetischen Schichten 62 der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 mit der Struktur einer Dicke von 1,8 nm und der Austauschkopplungsenergie J. Es ist anzumerken, dass die Dicke der einzelnen nichtmagnetischen Schichten 62 auf einen Wert eingestellt wird, mit dem unter Verwendung des entsprechenden Materials ein maximales J erhalten werden kann.
Tabelle 7
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass der Wert von J in einem breiten Bereich von 9 bis 1500 μJ/m² durch Ändern des Materials der nichtmagnetischen Schicht gesteuert werden kann.
Vorzugsweise wird das Sättigungsfeld H_S möglichst stark erhöht, um einen Abbau der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55, der durch das an ein Magnetaufzeichnungsmedium oder dergleichen angelegte Magnetfeld verursacht wird, zu verhindern. Jedoch wird, wie aus Gleichung (1) ersichtlich, da das Sättigungsfeld H_S zur Austauschkopplungsenergie J proportional ist, bei einer Zunahme von H_S J ebenfalls entsprechend erhöht, wobei es manchmal einen ausnehmend hohen Wert erreicht. Dieses Problem kann vermieden werden, wenn die Dicke des Materials der nichtmagnetischen Schicht 62 der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55, die die nächstgelegene zur Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 ist, derart eingestellt wird, dass der Wert des an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 anzulegenden Vorpolungsmagnetfeldes optimiert wird, und unabhängig davon, wenn die Dicke oder das Material anderer nichtmagnetischen Schichten derart eingestellt wird, dass H_S erhöht wird.
Die eine Vorpolung anlegende Schicht 55 mit der im Vorhergehenden beschriebenen Struktur kann eine Vorpolung an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 in einer vorgegebenen Richtung gemäß einem im Folgenden zu beschreibenden Verfahren anlegen.
Es wird angenommen, dass magnetische Anisotropie mit der x-Richtung von 10 als der leichten Achse der Magnetisierung an die magnetischen Schichten der eine Vorpolung anlegenden Schicht angelegt wird. Wenn ein äußeres Magnetfeld, das stärker als die antiferromagnetische Kopplungskraft zwischen den magnetischen Schichten der eine Vorpolung anlegenden Schicht ist, in x-Richtung angelegt wird, besteht eine Magnetisierung der magnetischen Schichten 61, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, stabil in x-Richtung selbst nach der Entfernung des äußeren Magnetfeldes. Infolgedessen kann die vertikale Vorpolung an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 in x-Richtung durch die antiferromagnetische Kopplungskraft zwischen den magnetischen Schichten 61 und der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 angelegt werden.
Es ist anzumerken, dass die magnetische Anisotropie gemäß beispielsweise den folgenden Verfahren angelegt werden kann. Gemäß dem ersten Verfahren werden Schichten unter Verwendung von CoFe-Legierungsschichten als magnetische Schichten 61, die magnetischen Schichten 61 unter dem Magnetfeld derart gebildet, dass eine uniaxiale magnetische Anisotropie mit der Richtung, in der das magnetische Feld angelegt wird, als die leichte Achse der Magnetisierung, angelegt wird. Die Schichtbildungstemperatur ist vorzugsweise gleich einer oder höher als eine Temperatur, bei der eine antiferromagnetische Kopplung in der Schicht eines künstlichen Gitters verschwindet.
Gemäß dem zweiten Verfahren wird nach der Bildung der Schicht eines künstlichen Gitters die gebildete Struktur unter einem Magnetfeld einer vorgegebenen Richtung ungeachtet ob eine NiFe-Legierungsschicht als Magnetwiderstandseffekt-Schicht gebildet wird, derart geglüht, dass die uniaxiale magnetische Anisotropie mit der Richtung des magnetischen Feldes während des Glühens als die leichte Achse der Magnetisierung angelegt wird. Die Glühtemperatur ist gleich der oder höher als die Temperatur, bei der die antiferromagnetische Kopplung der Schicht eines künstlichen Gitters verschwindet. Das magnetische Feld wird vorzugsweise in ähnlicher Weise auch während des Abkühlens angelegt.
Gemäß dem dritten Verfahren kann, wenn eine Region einer nichtmagnetischen Schicht 57 mindestens an einer Stelle des Zentralbereichs einer eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 längs der Spurbreite gebildet ist, eine magnetische Anisotropie mit der Längsrichtung der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 als die leichte Achse der Magnetisierung angelegt werden, wie in 22 gezeigt ist. Zur Bereitstellung der Region einer nichtmagnetischen Schicht 57 werden Nebenschlussvorpolungsschichten 52 und 53 und eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 nacheinander auf einem Substrat 51 gebildet und die eine Vorpolung anlegende Schicht 55 auf der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 durch Ultrahochvakuumsputtern gebildet. Anschließend wird ein Resist auf die eine Vorpolung anlegende Schicht 55 aufgetragen, wobei eine Resistschicht gebildet wird, und die gebildete Struktur wird derart bemustert, dass die Endbereiche der Resistschichten in der Längsrichtung als die Masken zurückbleiben. Die belichtete, eine Vorpolung anlegende Schicht 55, d. h. der Zentralbereich längs der Spurbreite in der Längsrichtung, wird durch Ionenfräsen geätzt.
Das vierte Verfahren verwendet die magnetische Anisotropie von Kristallen. In einer Schicht eines künstlichen Gitters unter Verwendung eines magnetischen Feldes auf Co-Basis mit einer Phase mit hexagonal dichtester Kugelpackung kann eine starke magnetische Anisotropie von mehreren 100 kA/m, die die Schichtoberflächenrichtung der Schicht eines künstlichen Gitters längs der (100)-Richtung der MgO-Schicht als die leichte Achse der Magnetisierung aufweist, an die Schicht eines künstlichen Gitters durch die Verwendung einer Einkristall-MgO-Schicht mit der (100)-Fläche als Vertikalrichtung der Schichtoberfläche und Bildung der Schicht eines künstlichen Gitters auf der MgO-Schicht angelegt werden.
Das praktische Beispiel des vierten Verfahrens wird im Folgenden detailliert beschrieben. Beispielsweise werden 60 Schichten eines künstlichen Gitters, die durch abwechselndes Aufeinanderstapeln von 1 nm dicken Co₉Fe-Schichten und 1,1 nm dicken Cu-Schichten erhalten wurden, auf der (100)-Fläche eines Einkristall-MgO-Substrats gebildet, und eine 1 nm dicke Co₉Fe-Schicht auf der obersten Schicht eines künstlichen Gitters gebildet, wie in 23 angegeben ist. Anschließend wird eine 10 nm dicke NiFe(Permalloy)-Schicht auf der gebildeten Struktur durch Ionenstrahlsputtern gebildet.
24A, 24B und 25 sind Diagramme der Magnetisierung dieses Prüflings, die durch ein Vibrationsmagnetometer gemessen wurden, wobei 24A und 24B Diagramme sind, die durch Messen der Magnetisierung in der Richtung der (100)-Achse des MgO-Substrats erhalten wurden, und 17 ein Diagramm ist, das durch Messen der Magnetisierung in Richtung der (110)-Achse desselben erhalten wurde. In 24A ist die Magnetisierungskurve der NiFe-Schicht in der Nähe des Ursprungs angegeben. 24B zeigt die kleine Schleife in der Nähe des Ursprungs. Aus 24B ist ersichtlich, dass ein Vorpolungsmagnetfeld von etwa 20 kA/m an die NiFe-Schicht angelegt wird.
In 25 ändert sich die Magnetisierung kontinuierlich in Bezug auf das angelegte Magnetfeld entsprechend dem Signalmagnetfeld, und es wird keine Hysterese in der Magnetisierungskurve beobachtet. Daher ist klar, dass ein Barkhausen-Rauschen, das als Begleiterscheinung auftritt, wenn die magnetischen Wände bewegt werden, unterdrückt wird. In Bezug darauf wird festgestellt, dass in diesem System die Richtung der (100)-Achse des MgO-Substrats die leichte Achse der Magnetisierung ist und die Richtung der (110)-Achse die schwierige Achse der Magnetisierung ist. Das Sättigungsfeld längs der schwierigen Achse der Magnetisierung beträgt 1 × 10³ kA/m (Punkt A in 17).
In diesem System wurde ein Vorpolungsmagnetfeld mit der Richtung der (100)-Achse des MgO-Substrats als die leichte Achse der Magnetisierung beobachtet, auch wenn die Dicke der NiFe-Schicht und die Zahl der Schichten eines künstlichen Gitters geändert wurden. 26 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke der NiFe-Schicht und die Zahl der Schichten eines künstlichen Gitters geändert wurden. 26 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke der NiFe-Schicht und den Eigenschaften des Vorpolungsmagnetfeldes, das erhalten wurde, wenn die Zahl der Mehrfachschichten 60 und 15 beträgt, zeigt. Ausgehend von 26 wurde festgestellt, dass ein im Wesentlichen gleiches Vorpolungsmagnetfeld erreicht werden konnte, auch wenn die Zahl der Schichten eines künstlichen Gitters auf 15 festgelegt wurde. Es wurde auch festgestellt, dass das Vorpolungsmagnetfeld verringert wurde, wenn die Dicke der NiFe-Schicht erhöht wurde.
Daher kann gemäß dem Magnetwiderstandseffekt-Sensor dieses Beispiels eine stabile vertikale Vorpolung an die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 54 angelegt werden und ein durch die Instabilität des Magnetisierungsverhaltens verursachtes Barkhausen-Rauschen ausreichend unterdrückt werden. Da die vertikale Vorpolung durch Ändern der Dicke der nichtmagnetischen Schichten oder der Arten des Materials gesteuert werden kann, kann eine vertikale Vorpolung einer Höhe, die für die Spezifikationen des Magnetwiderstandseffekt-Sensors geeignet ist, angelegt werden, wodurch verhindert wird, dass die vertikale Vorspannung die Sensorempfindlichkeit nachteilig beeinflusst. Daher kann durch die Verwendung des Magnetwiderstandseffekt-Sensors dieser Ausführungsform ein Magnetkopf gefertigt werden, der ein Signal mit einem hohen S/N-Verhältnis wiedergeben kann.
27A zeigt einen Magnetwiderstandseffekt-Sensor, bei dem eine Vorspannung anlegende Schichten 101 als die Schichten eines künstlichen Gitters nur in den Regionen an den zwei Endbereichen einer Magnetwiderstandseffekt-Schicht gebildet sind und leitende Schichten 103 auf den eine Vorpolung anlegenden Schichten 101 gebildet sind. Bei dieser Struktur muss, da das vertikale Vorpolungsmagnetfeld der eine Vorpolung anlegenden Schichten 101 einen für ein Signalmagnetfeld empfindlichen Bereich 102 nicht ohne weiteres beeinflusst, das vertikale Magnetfeld nicht streng eingestellt werden, was günstig ist. In Bezug auf die leitenden Schichten müssen die se nicht auf den eine Vorpolung anlegenden Schichten gebildet sein, sondern die leitenden Schichten 104 können an den inneren Seiten der eine Vorpolung anlegenden Schichten 101 gebildet sein, wie in 27B angegeben.
Bei dem Magnetwiderstandseffekt-Sensor dieses Beispiels können anstelle der herkömmlichen magnetisch isolierenden Schicht zwei Magnetwiderstandseffekt-Schichten auf dem Substrat mit einer eine Vorpolung anlegenden Schicht als die Schicht eines künstlichen Gitters zwischen diesen eingefügt, wie in 28 angegeben, gebildet sein, und das durch den Lesestrom erzeugte Magnetfeld als die horizontale Vorpolung verwendet werden. Der Magnetwiderstandseffekt-Sensor dieses Typs wird durch Bilden einer Magnetwiderstandseffekt-Schicht 111 auf einem Substrat 51 durch Sputtern oder Vakuumabscheidung, Bilden einer eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 als die Schicht eines künstlichen Gitters auf der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 111 durch Ultrahochvakuumsputtern, Bilden einer Magnetwiderstandseffekt-Schicht 112 auf der eine Vorpolung anlegenden Schicht 55 auf die gleiche Weise wie die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 111 und Bilden einer leitenden Schicht 56 als Leitungsdraht gebildet. Hierbei kann, wenn die leitende Schicht 56 durch Mikrobemusterung mittels Ionenfräsen gebildet wird, die Magnetwiderstandseffekt-Schicht 112 geschädigt werden. Daher wird die leitende Schicht 56, vorzugsweise durch ein Abhebeverfahren gebildet.
Bei der obigen Struktur können Schichten eines künstlichen Gitters nur in Regionen an den zwei Endbereichen der Magnetwiderstandseffekt-Schicht gebildet werden und eine magnetisch isolierende Schicht zwischen den zwei Schichten eines künstlichen Gitters gebildet werden. In diesem Fall werden eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht 111 und eine eine Vorpolung anlegende Schicht 121 als die Schicht eines künstlichen Gitters nacheinander auf einem Substrat 51 gestapelt, ein Resist auf die eine Vorpolung anlegende Schicht 121 unter Bildung einer Resistschicht 122 aufgetragen, und die gebildete Struktur bemustert, wobei die zwei Endbereiche der Resistschicht 122 als die Masken verbleiben, wie in 29A ange geben. Anschließend wird der freigelegte Bereich der eine Vorpolung anlegenden Schicht 121, d. h. die eine Vorpolung anlegende Schicht 121 mit Ausnahme der zwei Endbereiche, durch Ionenfräsen geätzt, wie in 29B angegeben ist. Anschließend wird eine magnetisch isolierende Schicht 123 auf der Region zwischen den verbliebenen eine Vorpolung anlegenden Schichten 121 durch Sputtern oder Dampfphasenabscheidung derart gebildet, dass sie die gleiche Dicke wie die der eine Vorpolung anlegenden Schichten 121 aufweist, und die Resistschicht 122 entfernt, wie in 29C angegeben ist. Es ist anzumerken, dass Ti,Ta oder dergleichen als das Material der magnetisch isolierenden Schicht 123 verwendet wird. Danach wird eine weitere Magnetwiderstandseffekt-Schicht 124 derart gebildet, dass sie die gebildeten eine Vorpolung anlegenden Schichten 121 als die Schichten eines künstlichen Gitters und die magnetisch isolierende Schicht 123 bedeckt, wie in 29D angegeben ist.
Dieser Typ eines Magnetwiderstandseffekt-Sensors kann für einen Magnetkopf mit einer hohen Empfindlichkeit in Bezug auf in-Phase-Signale, verwendet werden, wenn eine elektrisch isolierende Schicht zwischen zwei Schichten eines künstlichen Gitters gebildet wird und wenn zwei Magnetwiderstandseffekt-Schichten derart gebildet werden, dass die in diesen fließenden Leseströme in Bezug auf ein Signalmagnetfeld einander entgegengesetzt sind.
Eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht 131 und eine eine Vorpolung anlegende Schicht 132 als die Schicht eines künstlichen Gitters werden nacheinander auf einem Substrat 51 gebildet, wie in 30A angegeben ist. Anschließend werden eine elektrisch isolierende Schicht 133 auf der eine Vorpolung anlegenden Schicht 132 durch ein Abhebeverfahren gebildet und eine weitere eine Vorpolung anlegende Schicht 134 als die Schicht eines künstlichen Gitters und eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht 135 nacheinander gebildet, wie in 30B angegeben ist.
Es ist anzumerken, dass SiO₂ oder dergleichen als das Material der elektrisch isolierenden Schicht 133 verwendet wer den können. Hierbei werden die Magnetwiderstandseffekt-Schichten 131 und 135 durch Sputtern oder Dampfphasenabscheidung gebildet, und die eine Vorpolung anlegenden Schichten 132 und 134 als die Schichten eines künstlichen Gitters durch Ultrahochvakuumsputtern gebildet. Dann wird nur eine Seite der gebildeten Struktur durch Ionenfräsen bis zu einem Mittenpunkt der eine Vorspannung anlegenden Schicht 132 geätzt (es genügt, wenn dieser Punkt unter dem oberen Endbereich der elektrisch isolierenden Schicht 133 und über dem unteren Endbereich der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 131 liegt), wie in 30C angegeben ist. Anschließend wird eine leitende Schicht 136 als Leitungsdraht durch Bemustern gebildet, wie in 30D angegeben ist.
Bei dieser Struktur wird, da die Richtungen der Leseströme I in den Magnetwiderstandseffekt-Schichten 131 und 135 in Bezug auf das Signalmagnetfeld einander entgegengesetzt eingestellt werden können, wie durch ein Bezugssymbol I in 30D angegeben ist, und da die Magnetwiderstandseffekt-Schichten 131 und 135 in Reihe geschaltet sind, die Empfindlichkeit des Magnetkopfs verbessert.
Die Reihenfolge der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 131 und der eine Vorpolung anlegenden Schicht 132 und die Reihenfolge der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 135 und der eine Vorpolung anlegenden Schicht 134 können umgekehrt werden, so dass die Magnetwiderstandseffekt-Schichten 131 und 135 auf der inneren Seite der eine Vorpolung anlegenden Schichten 132 und 134 gebildet werden. Eine eine Vorpolung anlegende Schicht 134 wird an einem Endbereich einer elektrisch isolierenden Schicht 143 nicht immer korrekt gebildet. Dieses Problem kann gelöst werden, indem ein spitz zulaufender Bereich am Endbereich der elektrisch isolierenden Schicht 143 durch das Abhebeverfahren während der Bildung der elektrisch isolierenden Schicht 143 gebildet wird, wie in 131 angegeben ist.
Die Grundstruktur des Magnetwiderstandseffekt-Sensors gemäß der dritten Ausführungsform ist in 28 angegeben. Die Grundstruktur ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispiels weise können eine eine Vorspannung anlegende Schicht 51 als die Schicht eines künstlichen Gitters, eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht 152, eine magnetisch isolierende Schicht 153, eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht 154 und eine eine Vorpolung anlegende Schicht 155 als die Schicht eines künstlichen Gitters nacheinander auf einem Substrat 51 gebildet werden, wie in 32 angegeben ist. Mit dieser Struktur kann der Abstand zwischen den Magnetwiderstandseffekt-Schichten 152 und 154 weiter verringert werden. Dann legen beide Magnetwiderstandseffekt-Schichten 152 und 154 die Vorpolungsmagnetfelder aneinander an, wobei die Wirkung des Anlegens der vertikalen Vorspannung verstärkt wird.
Dieser Effekt kann auch erhalten werden, wenn die Magnetwiderstandseffekt-Schichten 161 und eine Vorspannung anlegenden Schichten 162 als die Schichten eines künstlichen Gitters abwechselnd aufeinandergestapelt sind, wie in 33 angegeben.
Bei dieser Art eines Magnetwiderstandseffekt-Sensors kann die horizontale Vorspannung an eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht in Richtung einer weichen Nachbarschaftsschicht angelegt werden. In diesem Fall wird eine weichmagnetische Schicht 171 auf einem Substrat 51 durch Sputtern gebildet, eine eine Vorspannung anlegende Schicht 172 als die Schicht eines künstlichen Gitters auf der weichmagnetischen Schicht 171 durch Ultrahochvakuumsputtern gebildet und eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht 173 auf der eine Vorpolung anlegenden Schicht 172 durch Sputtern oder Vakuumablagerung gebildet, wie in 34A angegeben ist. Anschließend wird eine leitende Schicht 174 als Leitungsdraht an einer gewünschten Position der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 173 gebildet, wie in 34B angegeben ist. Hierbei wird die leitende Schicht 174 vorzugsweise durch das Abhebeverfahren gebildet, wie im Vorhergehenden beschrieben.
Mit dieser Struktur kann die Magnetisierung der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 173 und die der weichmagnetischen Schicht 171 durch deren antiferromagnetische Kopplung mit der eine Vorspannung anlegenden Schicht 172 stabilisiert werden.
Dann kann das Barkhausen-Rauschen der Magnetwiderstandseffekt-Schicht 173 und das der weichmagnetischen Schicht 171 unterdrückt werden.
Auch wenn eine eine Vorspannung anlegende Schicht 181 als die Schicht eines künstlichen Gitters, eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht 182, eine magnetisch isolierende Schicht 183, eine weichmagnetische Schicht 184 und eine eine Vorspannung anlegende Schicht 185 als die Schicht eines künstlichen Gitters nacheinander gebildet werden, wie in 35 angegeben ist, oder auch wenn eine Magnetwiderstandseffekt-Schicht 191 und eine weichmagnetische Schicht 192 jeweils abwechselnd mit einer eine Vorspannung anlegenden Schicht 193 und 194 als Schichten eines künstlichen Gitters gebildet werden, wie in 36 angegeben ist, wird auf der Basis der Struktur von 26A und 26B die Wirkung dieses Beispiels erreicht.

Claims

Magnetwiderstandseffekt-Element, das umfasst: eine erste Mehrfachschicht (41), die durch Aufeinanderstapeln magnetischer und nichtmagnetischer Schichten (32 und 33) derart, dass sich ein Magnetwiderstandseffekt ergibt, erhalten wurde; und eine zweite Mehrfachschicht (42), die durch Aufeinanderstapeln magnetischer und nichtmagnetischer Schichten (34 und 35) derart, dass sich ein größeres Sättigungsfeld als das der ersten Mehrfachschicht ergibt, erhalten wurde, wobei die zweite Mehrfachschicht (42) auf mindestens einem Endteil der ersten Mehrfachschicht (41) zum Anlegen eines Vorpolungsmagnetfelds an die erste Mehrfachschicht (41) ausgebildet ist, und jede zweite Mehrfachschicht (42) ein longitudinales Magnetfeld an die erste Mehrfachschicht (41) anlegt.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der magnetischen Schichten (32, 34) der ersten und zweiten Mehrfachschicht (41, 42) eine Schichtdicke von 0,5 nm bis 5 nm aufweist.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der nichtmagnetischen Schichten (33) der ersten Mehrfachschicht (41) und der nichtmagnetischen Schichten (35) der zweiten Mehrfachschicht (42) eine Schichtdicke von 0,5 nm bis 5 nm aufweist.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Schicht (32, 34) der ersten und zweiten Mehrfachschicht (41, 42) Fe, Co, Ni oder eine Fe, Co oder Ni enthaltende Legierung enthält.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmagnetische Schicht (33) der ersten Mehrfachschicht (41) eine größere Schichtdicke als die der nichtmagnetischen Schicht (35) der zweiten Mehrfachschicht (42) aufweist.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Schicht (32) der ersten Mehrfachschicht (41) magnetische Anisotropie aufweist.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Sättigungsfeldes der ersten Mehrfachschicht (41) zu dem der zweiten Mehrfachschicht (42) nicht mehr als 1/5 beträgt.