DE69418142T2 - Lesemagnetkopf mit Mehrschichtmagnetowiderstandselement und Konzentrator und Herstellungsverfahren - Google Patents

Lesemagnetkopf mit Mehrschichtmagnetowiderstandselement und Konzentrator und Herstellungsverfahren

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung hat einen Lesemagnetkopf mit Mehrschichtmagnetowiderstandselement und Konzentrator und sein Herstellungsverfahren zum Gegenstand. Sie findet eine Anwendung bei der magnetischen Datenspeicherung.
    • Stand der Technik
  • Die Lesemagnetköpfe mit Magnetowiderstandselement sind bekannt. Bei bestimmten ist das Magnetowiderstandselement unter dem Spalt angeordnet. Dies ist z. B. beschrieben in den Dokumenten FR-A-2 645 314 undd FR-A-2 657 189. Bei anderen ist das Magnetowiderstandselement an der Rückseite des Magnetkreises angeordnet und dient dazu, diesen zu schließen. Dies ist z. B. in den Dokumenten EP-A-0 472 187 und EP-A-0 475 397 beschrieben.
  • EP-A-0 472 187 beschreibt einen Magnetkopf wie definiert in dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Köpfe, die ein Magnetowiderstandselement benutzen, das den Magnetkreis an der Rückseite des Kopfes schließt, funktionieren mit monolithischen magnetischen Materialien. Es handelt sich hauptsächlich um Verbindungen auf Eisen- und Nickelbasis oder Verbindungen auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis. Wenn man nun aber bei solchen Materialien das Magnetowiderstandselement in Längsstellung benutzt, ist die Empfindlichkeit schwach, denn das Schreibmagnetfeld befindet sich parallel zu dem in dem Element fließenden Detektionsstrom. Man kann diese Empfindlichkeit verbessern, indem man das Element quergerichtet arbeiten läßt, d. h. es um 90º dreht, damit das Lesemagnetfeld das Element in der Richtung der Breite durchquert, wobei der Detektionsstrom noch immer in Längsrichtung fließt. Aber diese Anordnung führt zu Herstellungsschwierigkeiten.
  • Die vorliegende Erfindung hat die Beseitigung genau dieser Nachteile zum Gegenstand.
    • Darstellung der Erfindung
  • Zu diesem Zweck empfiehlt die Erfindung zur Bildung des Magnetowiderstandselements zunächst ein Material, das nicht mehr monolithisch sondern mehrschichtig ist.
  • Die magnetischen Mehrschichtstrukturen umfassen Kobalt, Eisen, Kupfer, Chrom, Silber, Gold, Molydän, Ruthenium und Magnesium, wie beschrieben in dem Artikel von H. YAMAMOTO und T. SHINJO, veröffentlicht in der Zeitschrift "IEEE Translation Journal an Magnetics in Japan", Heft 7, Nr. 9, September 1992 unter dem Titel "Magnetoresistance of Multilayers",·S. 674-684.
  • Die Mehrschichtmaterialien weisen vorteilhafte Eigenschaften auf: breiter Magnetowiderstandseffekt, schwaches Sättigungsfeld, schwache Koerzitivkraft, gute Temperfestigkeit. Die besten bis heute erhaltenen Strukturen werden durch FeNi- Schichten, getrennt durch Kupferschichten, gebildet, wie beschrieben in dem Artikel von S. S. P. PARKIN mit dem Titel "Oscillations in Giant Magnetoresistance and Antiferromagnetic Coupling in [Ni&sub8;&sub1;Fe&sub1;&sub9;/Cu]N N Multilayers", veröffentlicht in der Zeitschrift "Appl. Phys. Lett." 60, Nr. 4, Januar 1992, S. 512- 514, und dem Artikel von R. NAKATANI et al., veröffentlicht in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Magnetics", Heft 28, Nr. 5, September 1992, S. 2668-2670 und betitelt "Giant Magnetoresistance in Ni-Fe/Cu Multilayers Formed by Ion Beam Sputtering".
  • Auch die aus FeNi-Dünnschichten gebildeten und durch Silberschichten getrennten Strukturen ergeben gute Resultate und werden beschrieben in dem Artikel von B. RODMACQ et al., veröffentlicht in "Journal of Magnetism and Magnetic Materials" 118, 1993, S. L11-L16 und betitelt "Magnetoresistive Properties and Thermal Stability of Ni-Fe/Ag Mulilayers".
  • Diese neuen Materialien haben die Eigenschaft, sehr magnetoresisitv zu sein, d. h. ein relatives Resistivitätsveränderungsverhältnis zu haben, das von 10 bis 20% geht, und Magnetfelder mit schwacher Sättigung aufzuweisen, niedriger als 40 kA/m.
  • Mit den Materialien des Mehrschichttyps erhält man eine große Empfindlichkeit für den Fluß, wenn das Magnetfeld in der Längsrichtung angelegt ist. Bei konstantem Magnetowiderstandskoeffizient ist die Empfindlichkeit maximal, wenn ein Sättigungsfeld genanntes Feld schwach ist. Das Sättigungsfeld entspricht dem Magnetfeld, das man anlegen muß, um die Magnetisierung jeder der verschiedenen magnetischen Schichten in derselben Richtung und mit gleichem Sinn bzw. gleicher Polariät auszurichten.
  • Als zur Länge eines Stabs aus einem Mehrschichtmaterial paralleles Feld ist dieses Feld gleich dem Kopplungsfeld der einheitlichen Schichten. Als quergerichtetes Feld erhöht das Auftreten entmagnetisierender Felder das Sättigungsfeld, was die Empfindlichkeit reduziert.
  • Mit anderen Worten ist es vorzuziehen, hinsichtlich der Empfindlichkeit das Magnetowiderstandselement in Längsrichtung anzuordnen, d. h. mit seiner großen Abmessung parallel zu dem zu lesenden Magnetfeld.
  • Zusätzlich zu dieser ersten Charakteristik der Erfindung in Verbindung mit der Verwendung von Mehrschichtmaterial in Längsstellung empfiehlt die Erfindung eine zweite, darin bestehend, einen Magnetfeldkonzentrator zu verwenden, gebildet durch zwei magnetische Schichten, die einen zweiten Spalt definieren, zu dem das Magnetowiderstandselement quergerichtet ist. Auf diese Weise realisiert man eine Konzentration des Lesemagnetfelds in dem Magnetowiderstandselement, was das Meßsignal erhöht.
  • Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung also einen Lesemagnetkopf mit einem Magnetkreis mit zwei Polschuhen, getrennt durch einen ersten Spalt, und ein Magnetowiderstand-Längselement zum Gegenstand, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er außerdem zwei magnetische Schichten umfaßt, in Kontakt mit den Polschuhen und voneinander beabstandet durch einen zweiten Spalt, angeordnet unter dem ersten, wobei die magnetischen Schichten eine Breite haben, die abnimmt, wenn man sich dem zweiten Spalt nähert, wodurch sie einen Magnetfeldkonzentrator bilden, und das Magnetowiderstands-Längselement quer zu diesem zweiten Spalt angeordnet ist und durch ein Mehrschichtenmaterial gebildet wird, bestehend aus einem Stapel magnetischer Schichten, getrennt durch unmagnetische metallische Schichten.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsart wird das Magnetowiderstandselement durch mehrere parallele Längsteilstücke gebildet, Seite an Seite angeordnet und quer zu dem zweiten Spalt, wobei diese Teilstücke an ihren Enden durch Querteilstücke elektrisch in Serie geschaltet werden.
  • Der Lesekopf kann außerdem einen elektrischen Leiter umfassen, der das Magnetowiderstandselement in Längsrichtung polen kann.
  • Der erfindungsgemäße Lesekopf kann leicht durch Einrichtungen vervollständigt werden, die ihn zum Schreiben befähigen. Diese Einrichtungen bestehen aus einem unteren Polschuh und einer leitenden Spule.
  • Die vorliegende Erfindung hat auch ein Herstellungsverfahren des oben definierten Kopfs zum Gegenstand.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • - Die Fig. 1 zeigt einen Schreibeinrichtungen betreffenden Unteraufbau;
  • - die Fig. 2 zeigt im Schnitt die Herstellung eines Konzentrators;
  • - die Fig. 3 zeigt den Konzentrator in der Draufsicht;
  • - die Fig. 4 zeigt einen Zwischenschritt zur Abscheidung einer Isolierschicht;
  • - die Fig. 5 zeigt Anschlußkontakte in der Draufsicht;
  • - die Fig. 6 zeigt ein Magnetowiderstandselement im Schnitt;
  • - die Fig. 7 zeigt ein Magnetowiderstandselement in der Draufsicht;
  • - die Fig. 8 zeigt einen Zwischenschritt zur Abscheidung einer neuen Isolierschicht;
  • - die Fig. 9 zeigt die Bildung von Öffnungen in der Isolierschicht;
  • - die Fig. 10 zeigt Leiterkontakte und ein leitendes Polungselement;
  • - die Fig. 11 zeigt den fertigen Lese-Schreibkopf.
    • Detaillierte Darstellung einer Ausführungsart
  • Die Charakteristika des erfindungsgemäßen Lesekopfs gehen aus den aufeinanderfolgenden Schritten seines Herstellungsverfahrens hervor.
  • Wenn man nur einen Lesekopf herstellen will, beginnt man mit einem einfachen Substrat, das z. B. durch eine Siliciumscheibe gebildet wird. Wenn man einen Lesekopf herstellen will, der auch als Schreibkopf arbeiten kann, beginnt man mit einem Unteraufbau, der in Fig. 1 dargestellt ist.
  • Dieser Unteraufbau wird durch dem Fachmann bekannte Operationen hergestellt, beschrieben z. B. in dem Dokument FR-A- 2 645 314 (oder seiner amerikanischen Entsprechung US-A- 5,208,716). Sie werden also hier nicht detailliert. Es genügt die Angabe, daß man auf einem Halbleitersubstrat 10, z. B. aus Silicium, eine Wanne 12 realisiert, in der man eine untere Magnetschicht 14 und zwei magnetische Pfeiler 16&sub1;, 16&sub2; abscheidet.
  • Man realisiert anschließend eine leitende Spule 18 um die Pfeiler 16&sub1;, 16&sub2; herum. Diese Spule kann aus Kupfer sein. In Fig. 1 sind nur einige Windungen dargestellt, aber man kann in der Praxis z. B. 16 Windungen in einer Ebene haben, verteilt auf zweimal 8 Windungen. Diese Spule wird in einer Isolierschicht 20 vergraben.
  • Die die Herstellung des Leseteils betreffenden Operationen beginnen dann ab dem in der Fig. 1 dargestellten Unteraufbau, der als Substrat dient.
  • Man beginnt mit dem Abscheiden einer Schicht aus magnetischem Material und ätzt diese Schicht, um zwei durch einen Spalt 32 voneinander beabstandete Teile 30&sub1;, 30&sub2; zu bilden (Fig. 2 und 3). Diese Schichten haben eine Breite, die zum Spalt 32 hin abnimmt.
  • In der Fig. 3 sieht man also Schichten 30&sub1;, 30&sub2; mit einer Trapezform, aber jede andere Form ist möglich, wenn diese die Funktion der Konzentration des Magnetflusses erfüllt. Das zur Herstellung dieses Konzentrators verwendete Material kann Eisen- Nickel sein.
  • Anschließend scheidet man auf dem Ganzen eine erste Isolierschicht 34 ab, z. B. aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von 0,1 bis 0,5 um (Fig. 4).
  • Anschließend scheidet man eine Schicht aus leitendem Material ab, vorzugsweise aus refraktärem Material wie z. B. Titan, Wolfram oder Molybdän. Die Dicke dieser Schicht kann von 0,05 bis 0,5 um gehen. In dieser Metallschicht führt man dann eine Photolithographie durch, um Außenkontakte 21, 23, 25, 27, Innenkontakte 41, 43, 45, 47 und Streifen 31, 33, 35, 37 herzustellen, die die Innenkontakte mit den Außenkontakten verbinden (Fig. 5).
  • Anschließend realisiert man die Magnetowiderstandselemente. Dazu scheidet man eine mehrlagige Schicht aus Magnetowiderstandsmaterial ab und ätzt diese Schicht, um ein Magnetowiderstandselement 50 zu bilden (Fig. 6). Das mehrlagige bzw. mehrschichtige Magnetowiderstandsmaterial kann z. B. aus Ag/FeNi sein.
  • Bei der in der Fig. 7 dargestellten Ausführungsart besitzt das Magnetowiderstandselement 50 parallele Längsteilstücke (a, b, c, d, e), Seite an Seite den Spalt 32 durchquerend, und Querteilstücke (A, B, C, D), die die Enden der Längsteilstücke verbinden. Das Magnetowiderstandselement ist mit den Kontaktstellen 41 und 47 verbunden.
  • Die Längsteilstücke reichen über den Spalt 32 hinaus und überlappen die beiden Teile des Konzentrators um ungefähr 2 um. Wenn z. B. der Spalt 32 einen Länge von 4 um aufweist, beträgt die Länge der Längsstreifen ungefähr 8 um.
  • Anschließend scheidet man auf dem Ganzen eine neue Isolierschicht 52 ab, z. B. aus Siliciumoxid (Fig. 8). Mittels Photolithographie stellt man zwei Öffnungen 63, 65 her, um Kontaktstellen 43, 45 freizulegen, die dazu dienen, den Polungsleiter anzuschließen.
  • In dieser Operation kan man auch die Enden A, B, C und des Magnetowiderstandselements durch Öffnungen 54, 55, 56, 57 (Fig. 9) freilegen.
  • Anschließend scheidet man eine neue Metallschicht ab, z. B. derselben Art wie die vorhergehende, mit einer ziemlich kleinen Dicke, z. B. 0,5 um, gefolgt von einer Leiterschicht, z. B. aus Kupfer. Durch Photolithographie läßt man in den Öffnungen 63, 65, die freigemacht worden waren, zwei Kontaktstellen 73, 75 stehen und realisiert zwischen diesen beiden Enden einen Streifen 80, der als Polungsleiter dienen wird. Gleichzeitig läßt man Kontaktstellen 81, 82, 83, 84 in den Öffnungen 54, 55, 56, 57 stehen, die an den Enden des Magnetowiderstandselements hergestellt worden waren. Diese Konaktstellen schließen die quergerichteten Arme A, B, C, D des Magnetowiderstandselements kurz. Auf diese Weise sind nur die Längsarme a, b, c, d, e aktiv.
  • Die Herstellung des Kopfes wird beendet (Fig. 11) durch die Herstellung von zwei Polschuhen 901, 902, getrennt durch den Spalt 100, und das Ganze wird eingebettet in einen Isolator 102.
  • Da die Kontaktstellen für den Anschluß des Magnetowiderstandselements und des Polungsleiters 21, 23, 25, 27 an den Rand der Vorrichtung verschoben worden sind, kann man problemlos Zwischenverbindungen durch die Isolierschicht 102 herstellen.
  • In den oben beschriebenen Beispielen ist das Magnetowiderstandselement 50 über dem zweiten Spalt 32 angeordnet. Selbstverständlich verläßt man nicht den Rahmen der Erfindung, wenn man es darunter anordnet.
  • Ebenso könnt der Polungsleiter 80 unter dem Magnetowiderstandselement angeordnet werden und nicht über diesem.

Claims (12)

1. Lesemagnetkopf, einen Magnetkreis mit zwei Polschuhen (901, 902), getrennt durch einen Spalt bzw. Luftspalt (100), und ein Magnetowiderstand-Längselement (50) umfassend,
dadurch gekennzeichnet,
daß er außerdem zwei magnetische Schichten (301, 302) umfaßt, in Kontakt mit den Polschuhen (901, 902) und voneinander beabstandet durch einen zweiten Spalt (32), angeordnet unter dem ersten (100), wobei die magnetischen Schichten (301, 302) eine Breite haben, die abnimmt, wenn man sich dem zweiten Spalt (32) nähert, wodurch sie einen Magnetfeldkonzentrator bilden, und das Magnetowiderstand- Längselement (50) quer zu diesem zweiten Spalt (32) angeordnet ist und aus einem Mehrschichtenmaterial hergestellt wird, gebildet durch einen Stapel aus magnetischen Schichten, getrennt durch unmagnetische metallische Schichten.
2. Lesemagnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetowiderstandselement (50) derart in sich selbst gebogen ist, daß es mehrere parallele Längsteilstücke (a, b, c, d, e) , Seite an Seite quer zum zweiten Spalt (32) angeordnet, und Querteilstücke (A, B, C, D) bildet.
3. Lesemagnetkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querteilstücke (A, B, C, D) kurzgeschlossen werden durch Leiter (81, 82, 83, 84).
4. Lesemagnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem einen elektrischen Leiter (80) umfaßt, der ermöglicht, das Magnetowiderstand-Längselement (50) in Längsrichtung zu polen.
5. Lesemagnetkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Polungsleiters (80) dasselbe ist wie das Material der Leiter (81, 82, 83, 84), die die Längsteilstücke (a, b, c, d, e) des Magnetowiderstandselements (50) kurzschließen.
6. Lesemagnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetowiderstandselement (50) zwei Enden besitzt, die durch zwei leitende Streifen (31, 37) mit zwei Außenkontaktstellen (21, 27) verbunden sind.
7. Lesemagnetkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Polungsleiter (80) zwei Enden besitzt, die durch zwei leitende Streifen (33, 35) mit zwei Außenkontaktstellen (23, 25) verbunden sind.
8. Lesemagnetkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem ein unteres magnetisches Teil (14, 16&sub1;, 16&sub2;) umfaßt, magnetisch gekoppelt mit den beiden Polschuhen (90&sub1;, 90&sub2;), und eine leitende Spule (18), die einen Teil (16&sub1;, 16&sub2;) des Magnetkreises umgibt, womit der Kopf folglich sowohl lesen als auch schreiben kann.
9. Herstellungsverfahren eines Lesekopfs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Operationen umfaßt:
- Abscheiden einer Schicht aus magnetischem Material auf einem Substrat (20, 16&sub1;, 16&sub2;) und Ätzen dieser Schicht, um zwei durch einen Spalt (32) voneinander beabstandete Schichten (30&sub1;, 30&sub2;) zu bilden, wobei diese Schichten eine sich verringernde Breite haben, wenn man sich dem Spalt (32) nähert,
- Abscheiden einer ersten Isolierschicht (34) auf dem Ganzen,
- Abscheiden einer Metallschicht, die man ätzt, um vier leitende Innenkontaktstellen (41, 43, 45, 47) herzustellen, die durch vier leitende Streifen (31, 33, 35, 37) mit vier Außenkontaktstellen (21, 23, 25, 27) verbunden sind,
- Abscheiden einer Magnetowiderstandsmaterialschicht des Mehrschichtentyps und Ätzen dieser Schicht, um ein Magnetowiderstandselement zu bilden, wobei dieses Element durch zwei Enden in Kontakt ist mit zwei ersten Innenkontaktstellen (41, 47),
- Abscheiden einer zweiten Isolierschicht (52),
- Ätzen dieser zweiten Isolierschicht (52), um zwei weitere Innenkontaktstellen (43, 45) freizulegen,
- Abscheiden einer leitenden Schicht, die man ätzt bis auf einen Streifen (80) mit zwei Enden (73, 75) in Kontakt mit den beiden genannten anderen Innenkontaktstellen (43, 45), wobei dieser Streifen (80) sich quer zu dem Magnetowiderstandselement (50) erstreckt,
- Bilden von zwei Polschuhen (901, 902) auf dem Ganzen, die sich auf den beiden magnetischen Schichten (301, 302) abstützen, wobei diese beiden Polschuhe durch einen Spalt bzw. Luftspalt (100) getrennt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Magnetowiderstandselement in Form paralleler Teilstücke (a, b, c, d, e) herstellt, Seite an Seite angeordnet und quer zu dem die beiden magnetischen Schichten (30&sub1;, 30&sub2;) trennenden Spalt (32), und Querteilstücke (A, B, C, D), die die Enden der Längsteilstücke verbinden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Ätzoperation der zweiten Isolierschicht (52) nicht nur die beiden anderen Innenkontaktstellen (43, 45) freilegt, sondern auch die Querteilstücke (A, B, C, D, E) des Magnetowiderstandselements (50), so daß man bei der Abscheidungsoperation der leitenden Schicht Querleiter (81, 82, 83, 84) auf den Querteilstücken (A, B, C, D) des Magnetowiderstandselements (50) bildet.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man vorher eine Teileinheit bildet, ausgehend von einem Substrat (10), auf dem man einen Polschuh (14) bildet, mit zwei Pfeilern (16&sub1;, 16&sub2;) und einer leitenden Spule (18), eingebettet in ein Isoliermaterial (20), wobei diese Teileinheit als Substrat für die nachfolgenden Operationen dient und dieses Verfahren zu einem Lese-Schreibkopf führt.
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