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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt, die aus einer Sandwichschicht einer dreilagigen Struktur
zwischen mehrlagigen Dünnschichten
gebildet ist, die einen extrem starken magnetoresistiven Effekt
(den so genannten riesigen magnetoresistiven Effekt) zeigen und
so beschaffen sind, dass eine nichtmagnetische Lage zwischen ferromagnetischen
Lagen in einer Sandwichstruktur angeordnet ist, um in einem Magnetaufzeichnungs/Wiedergabe-Kopf
oder in einem Magnetsensor, der den magnetoresistiven Effekt ausnutzt,
verwendet zu werden, ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung
mit magnetoresistivem Effekt sowie einen unter Verwendung der Vorrichtung
mit magnetoresistivem Effekt hergestellten Magnetkopf.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Auf
dem Gebiet der Magnetaufzeichnungs- und Magnetwiedergabevorrichtungen,
wie etwa der Magnetplatten- und Magnetbandvorrichtungen hat eine
Erhöhung
der Aufzeichnungsdichte einen Bedarf an einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit
von Magnetköpfen
wie etwa Aufzeichnungsköpfen
und Wiedergabeköpfen
insbesondere zum Lesen von Informationen, die auf einem magnetischen
Aufzeichnungsmedium registriert sind, geschaffen.
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Genauer
ist bei einer Erhöhung
der Koerzitivkraft des magnetischen Aufzeichnungsmediums für den Aufzeichnungskopf
ein Material mit einer hohen Sättigungsmagnetflussdichte
erforderlich. Was den Wiedergabekopf anbelangt, so ist ein Versuch
unternommen worden, die Leistungsfähigkeit der Wiedergabe zu erhöhen, indem
anstelle eines herkömmlichen
Kopfes vom Induktionstyp ein so genannter MR-Kopf, der den magnetoresistiven
Effekt nutzt, verwendet wird. Der Grund dafür ist der Umgang mit dem Problem
einer Abnahme der Relativgeschwindigkeit des Magnetkopfes gegenüber dem
magnetischen Aufzeichnungsmedium, das mit einer Verringerung der
Abmessungen des magnetischen Aufzeichnungsmediums entsteht. Der
magnetoresistive Effekt ist ein Effekt der Änderung des elektrischen Widerstands
eines Materials in Abhängigkeit
von einer Änderung
des äußeren Magnetfeldes.
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Als
Materialien, die einen solchen magnetoresistiven Effekt zeigen,
sind magnetische Dünnschichten bekannt,
die beispielsweise aus NiFe, NiCo oder Permalloy hergestellt sind.
Das Magnetowiderstandsverhältnis
dieser Dünnschichten
beträgt
ungefähr
2 bis 3% für
NiFe und hat einen Höchstwert
von ungefähr
6% für NiCo.
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Der
magnetoresistive Effekt einer solchen magnetischen Dünnschicht
wird durch die Spin-Bahn-Wechselwirkung erzeugt und hängt von
dem Winkel zwischen der Richtung eines Messstroms und der Magnetisierungsrichtung
der magnetischen Dünnschicht
ab. Ein solcher magnetoresistiver Effekt wird gewöhnlich als
anisotroper magnetoresistiver Effekt (AMR) bezeichnet. Für eine weitere
Verbesserung der Aufzeichnungsdichte des Mediums ist es notwendig,
ein neuartiges Material zu entwickeln, das ein höheres Magnetowiderstandsverhältnis als
das Material aufweist, das den anisotropen magnetoresistiven Effekt
zeigt.
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In
den letzten Jahren wurde ein Phänomen,
das als riesiger magnetoresistiver Effekt (GMR) bezeichnet worden
ist und den magnetoresistiven Effekt auf der Grundlage eines Prinzips
zeigt, das vom Prinzip des anisotropen magnetoresistiven Effekt
verschieden ist, beobachtet und in das Zentrum der Aufmerksamkeit
gerückt.
Ein Beispiel für
eine Dünnschicht
mit einer Struktur mit GMR (nachfolgend als "GMR-Dünnschicht" bezeichnet) ist eine mehrlagige Dünnschicht,
die durch Übereinanderschichten
von einigen zehn magnetischen Lagen abwechselnd mit nichtmagnetischen
Lagen gebildet ist.
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Wie
in 20 veranschaulicht
ist, weist die mehrlagige Dünnschicht
eine Mehrlagenstruktur auf, die beispielsweise durch abwechselndes
Ablagern einer dünnen
magnetischen Schicht 31, wie etwa Co, und einer nichtmagnetischen
Lage 32, wie Cu, erzeugt wird. In der mehrlagigen Schicht
sind benachbarte magnetische Lagen 31 durch eine starke
antiferromagnetische Kopplung miteinander gekoppelt. Folglich sind
dann, wenn kein äußeres Magnetfeld
vorhanden ist, die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Lagen 31 antiparallel
(unterscheiden sich voneinander um 180°). Andererseits richten sich
dann, wenn ein äußeres Magnetfeld anliegt,
die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Lagen 31 alle
zur Richtung des Magnetfeldes aus und werden folglich parallel.
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Der
elektrische Widerstand der mehrlagigen Dünnschicht zeigt eine Widerstandsänderung
proportional zum Kosinus des Winkels zwischen den Magnetisierungsrichtungen
der magnetischen Lagen 31, die mit einer einzigen nichtmagnetischen
Lage 32 dazwischen übereinander
angeordnet sind. Dies ist dadurch verursacht, dass sich die Streuung
der Leitungselektronen in Abhängigkeit
vom Winkel zwischen diesen magnetischen Lagen 31 verändert. Wenn
die Magnetisierungen benachbarter magnetischer Lagen 31 antiparallel
sind, vergrößert sich
nämlich
die Streuung der Leitungselektronen und der Widerstand der Dünnschicht
nimmt ein Maximum an. Andererseits, wenn die Magnetisierungen dieser
magnetischen Lagen 31 parallel sind, nimmt die Streuung
der Leitungselektronen ab und der Widerstand der Dünnschicht
nimmt ein Minimum an.
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Das
Magnetowiderstandsverhältnis
der mehrlagigen Dünnschicht
ist um wenigstens eine Zehnerpotenz größer als dasjenige des anisotropen
magnetoresistiven Effekts. In einer Co/Cu-Mehrlagen-Dünnschicht, die
aus Materialien hergestellt ist, die eine derzeit größtmögliche Widerstandsänderung
zeigen, wird selbst bei üblicher
Temperatur ein Magnetowiderstandsverhältnis von nicht niedriger als
60 erzielt.
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Wie
weiter oben beschrieben worden ist, hat die GMR-Dünnschicht
einer mehrlagigen Struktur, wie etwa der in 20 gezeigten Mehrlagen-Dünnschicht,
ein extrem hohes Magnetowiderstandsverhältnis. Bei dieser Dünnschicht
ist jedoch die Kopplung zwischen den magnetischen Lagen 31 zu
stark. Um mit dieser Dünnschicht
ein hohes Magnetowiderstandsverhältnis
zu erzielen, muss folglich ein sehr starkes Magnetfeld, im Bereich
von einigen hundert Oe bis zu einigen kOe (1 Oe = 79,6 A/m), angewendet
werden.
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Der
Grund dafür
ist, dass der antiparallele Zustand der Magnetisierungen ohne ein äußeres Magnetfeld
durch Ausnutzen der Austausch-Wechselwirkung zwischen den magnetischen
Lagen 31 erreicht werden kann. Die Kopplung zwischen den
sich gegenseitig beeinflussenden magnetischen Lagen 31 ist
extrem stark. Deshalb ist ein extrem starkes äußeres Magnetfeld erforderlich,
um durch Ausschalten der Austausch-Wechselwirkung die Magnetisierungen
der magnetischen Lagen 31 in einen parallelen Zustand zu
bringen.
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Folglich
ist die Verwendung dieser Dünnschicht
in dem Magnetkopf und dergleichen nicht zweckmäßig, da diese Dünnschicht
eine schwache Empfindlichkeit (Verhältnis der Änderung des Magnetowiderstands zu
einer Änderung
des äußeren Magnetfeldes)
gegenüber
einem schwachen äußeren Magnetfeld
aufweist. Als Folge wird das Magnetowiderstandsverhältnis innerhalb
eines Magnetfeld-Arbeitsbereiches des Magnetkopfes kleiner.
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Dann
wurde anstelle der mehrlagigen Dünnschicht
eine Spin-Valve-Magnetoresistivitäts-Dünnschicht (nachfolgend als
Spin-Valve-Dünnschicht
bezeichnet) erfunden, um eine Verbesserung der Empfindlichkeit zu erzielen.
Die Spin-Valve-Dünnschicht
besitzt folgende Struktur: antiferromagnetische Lage/magnetische
Lage/nichtmagnetische Lage/magnetische Lage. Bei dieser Struktur
ist durch Ausnutzen der Austauschkopplung zwischen dieser magnetischen
Lage und der antiferromagnetischen Lage die Magnetisierung einer
der magnetischen Lagen in einer Richtung fixiert. Andererseits dreht
sich die Magnetisierung der anderen magnetischen Lage frei in Übereinstimmung
mit dem äußeren Magnetfeld.
Indem eine Dünnschicht,
die aus einem sehr weichen magnetischen Material wie etwa NiFe hergestellt
ist, als letzte magnetische Lage verwendet wird, kann die Empfindlichkeit
verbessert werden. In der folgenden Beschreibung wird die magnetische
Lage, die eine fixierte Magnetisierungsrichtung besitzt, "Lage mit festgehaltener
Magnetisierung" genannt,
und die magnetische Lage, deren Magnetisierungsrichtung sich frei
dreht, wird "Lage
mit freier Magnetisierung" genannt.
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Eine
derartige Spin-Valve-Dünnschicht
ist beispielsweise in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldung Nr. 358 310/1992 (Tokukaihei 4-358 310)
offenbart. 21 zeigt
eine schematische Querschnittstruktur der Spin-Valve-Dünnschicht. Wie in 21 veranschaulicht ist,
sind eine Lage 43 mit festgehaltener Magnetisierung und
eine Lage 41 mit freier Magnetisierung mit einer nichtmagnetischen
Lage 42 dazwischen übereinandergeschichtet.
Außerdem
ist eine antiferromagnetische Lage 44, beispielsweise aus
Manganeisen (FeMn) unmittelbar an der Lage 43 mit festgehaltener
Magnetisierung abgelagert. Folglich wirkt eine Austausch-Vormagnetisierung,
die durch die Austausch-Wechselwirkung zwischen der Lage 43 mit
festgehaltener Magnetisierung und der antiferromagnetischen Lage 44 erzeugt
wird, auf die Lage 43 mit festgehaltener Magnetisierung
ein. Dies hat zur Folge, dass die Magnetisierung der Lage 43 mit
festgehaltener Magnetisierung auf eine Richtung fixiert wird.
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Andererseits
ist die Lage 41 mit freier Magnetisierung so abgelagert,
dass der Winkel zwischen der Magnetisierungsrichtung der Lage 41 mit
freier Magnetisierung und jener der Lage 43 mit festgehaltener
Magnetisierung 90° beträgt, wenn
das äußere Magnetfeld
null ist. Durch Verändern
der Richtung des äußeren Magnetfeldes
kann die Magnetisierungsrichtung der Lage 41 mit freier
Magnetisierung frei verändert
werden.
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Folglich
werden dann, wenn ein äußeres Magnetfeld
an die oben erwähnte
Dünnschicht
in Richtung der Magnetisierung der Lage 43 mit festgehaltener
Magnetisierung angelegt wird, die Magnetisierungsrichtungen der
zwei magnetischen Lagen 41 und 43 parallel. Andererseits
werden dann, wenn das äußere Magnetfeld in
einer Richtung an die Dünnschicht
angelegt wird, die der Magnetisierungsrichtung der Lage 43 mit
festgehaltener Magnetisierung entgegengesetzt ist, die Magnetisierungsrichtungen
der zwei magnetischen Lagen 41 und 43 antiparallel.
Folglich ist es genauso wie bei der Dünnschicht mit magnetoresistiven
Effekt vom Mehrlagentyp möglich,
einen magnetoresistiven Effekt zu erzielen, der vom Kosinus des
Winkels zwischen den Magnetisierungsrichtungen der zwei Lagen mit
der Spin-Valve-Dünnschicht
abhängt.
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Die
Spin-Valve-Dünnschicht
ist eine Dünnschicht
mit magnetoresistivem Effekt vom so genannten ungekoppelten Typ,
die keine antiferromagnetische Kopplung zwischen den zwei magnetischen
Schichten 41 und 43 aufweist. In dieser Struktur
kann die Dicke der magnetischen Lagen 41 und 43 größer sein.
Es ist folglich möglich,
die Empfindlichkeit der Widerstandsänderung in Bezug auf das äußere Magnetfeld
zu erhöhen. In
Anbetracht der oben erwähnten
Vorteile lässt
sich sagen, dass die Spin-Valve-Dünnschicht eine der zweckmäßigsten
GMR-Dünnschichten
ist.
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Außerdem ist
bekannt, dass der GMR mit einer Dünnschicht mit magnetoresistiven
Effekt vom Sandwichtyp ohne Verwendung einer antiferromagnetischen
Schicht (nachfolgend als Sandwich-Dünnschicht bezeichnet) erzielt
wird, die durch eine Co/Cu/Co-Dünnschicht
typisiert ist. Theoretisch ist die Struktur der Sandwich-Dünnschicht
im Wesentlichen der Spin-Valve-Dünnschicht
gleich. 22 ist eine
Querschnittansicht, die eine schematische Struktur der Sandwich-Dünnschicht
zeigt. Die Sandwich-Dünnschicht
ist, wie in 22 veranschaulicht
ist, durch Übereinanderschichten
einer Lage 54 mit festgehaltener Magnetisierung und einer Dünnschicht 52 mit
freier Magnetisierung auf einem Substrat 51 mit einer nichtmagnetischen
Lage 53 dazwischen aufgebaut. Sowohl die Lage 54 mit
festgehaltener Magnetisierung als auch die Dünnschicht 52 mit freier Magnetisierung
sind aus Co gebildet.
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Durch
natürliche
Oxidation an der Oberfläche
der Lage 54 mit festgehaltener Magnetisierung bildet sich
eine (nicht gezeigte) Co-Oxid-Schicht. Die Koerzitivkraft der Lage 54 mit
festgehaltener Magnetisierung wird durch die Co-Oxid-Schicht verstärkt, und
die Magnetisierungsrichtung der Lage 54 mit festgehaltener
Magnetisierung wird innerhalb des Magnetfeld-Arbeitsbereichs in
der ursprünglichen
Magnetisierungsrichtung festgehalten. Andererseits kann sich die
Magnetisierung der Lage 52 mit freier Magnetisierung, die
nicht oxidiert ist, frei drehen. Deshalb wird genauso wie bei der
oben erwähnten
Spin-Valve-Dünnschicht,
der Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der zwei magnetischen
Lagen 52 und 54 der Sandwich-Dünnschicht durch das äußere Magnetfeld
verändert,
wodurch der magnetoresistive Effekt erzeugt wird. In diesem Fall
liegt keine antiferromagnetische Kopplung zwischen den zwei magnetischen
Lagen 52 und 54 vor. Es ist folglich möglich, die
Dicke der magnetischen Schichten 52 und 54 zu
vergrößern und
die Empfindlichkeit der Widerstandsänderung in Bezug auf das äußere Magnetfeld
zu verbessern.
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Wie
weiter oben dargestellt worden ist, ist berichtet worden, dass sich
der GMR bei einer so genannten ungekoppelten Struktur zeigt, die
eine dünne
Schicht aus Co oder NiFe für
die magnetischen Lagen und den Unterschied der Koerzitivkraft zwischen
zwei magnetischen Lagen verwendet, statt die antiferromagnetische Kopplung
zwischen den magnetischen Lagen zu nutzen.
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Die
folgende Beschreibung wird den Stand der Technik in Bezug auf die
ungekoppelte Spin-Valve-Dünnschicht
und die Sandwich-Dünnschicht
erläutern.
- (1) Das Dokument (1), "Magnetization and Magnetoresistance
of Co/Cu Layered Films",
IEEE Transactions on Magnetics, Bd. 28, Nr. 5, 1992, offenbart eine
Struktur einer so genannten Sandwich-Dünnschicht, die eine sehr einfache
Co/Cu/Co-Schichtstruktur aufweist. Durch natürliche Oxidation ist auf einer
der Co-Oberflächen
dieser Dünnschicht
eine dünne
Co-Oxidschicht ausgebildet worden.
- (2) Das Dokument (2), "Effectiveness
of Antiferromagnetic Oxide Exchange for Sandwich Layers", IEEE Transactions
on Magnetics, Bd. 29, Nr. 6, 1993, offenbart eine Struktur, in der
eine Co-Oxiddünnschicht
auf einer Co/Cu/Co-Sandwichschicht durch reaktives Katodenzerstäuben unter
Einsatz von 10% Sauerstoffgas gebildet wird. Es wird vermutet, dass
die Co-Oxiddünnschicht
CoO ist, das ein antiferromagnetisches Material ist, dessen Néel-Punkt
nahe der Raumtemperatur (290 K) liegt.
Was die Sandwich-Dünnschichten
der Dokumente (1) und (2) anbelangt, so ist berichtet worden, dass
der magnetoresistive Effekt bei extrem tiefen Temperaturen erzeugt
wird. Es wird vermutet, dass in einer derartigen Sandwich-Dünnschicht
die Austauschkopplung zwischen CoO und Co auftritt, wenn die Oberfläche der
oberen Co-Lage oxidiert ist oder wenn durch reaktives Katodenzerstäuben CoO
gebildet worden ist. Die Koerzitivkraft der am CoO anliegenden Co-Schicht
wird durch die antiferromagnetische Ausrichtung verstärkt, wodurch
ein Unterschied zwischen den Koerzitivkräften der magnetischen Lagen
erzeugt wird, zwischen denen die nichtmagnetische Lage in Sandwichstruktur
angeordnet ist. Folglich wird von diesen Dünnschichten der GMR erzeugt.
- (3) Das Dokument (3), "Magnetoresistive
Effect of Co/Cu/Co Sandwich Film",
Transactions of the Japanese Applied Magnetics Society, Bd. 18,
Nr. 2, 1994, offenbart eine Struktur, in der eine Co/Cu/Co-Sandwich-Dünnschicht
auf einer Pufferlage aus Fe oder NiFe ausgebildet ist und durch
natürliche
Oxidation ein Co-Oxid-Film auf der Oberfläche der Co-Lage ausgebildet
ist. Bei dieser Struktur wird der magnetoresistive Effekt durch
Erzeugen eines Unterschieds im Sättigungsfeld
zwischen den zwei magnetischen Lagen und durch Erzielen antiparalleler
Magnetisierungen mit der Bildung der Co-Oxiddünnschicht erhalten. Das Sättigungsfeld
der magnetischen Lage ist die Stärke
eines äußeren Magnetfeldes,
die anliegen muss, um die Magnetisierungsrichtung der Lage mit festgehaltener
Magnetisierung umzuschalten. Dieses Dokument berichtet, dass durch
die Verwendung der Pufferschicht, die aus Fe oder NiFe hergestellt
ist, auch bei Raumtemperatur der GMR mit einer Stärke von
6 bis 15% erhalten wird.
- (4) Das Dokument (4), "The
Effect of Buffer Layer in the Magnetoresistive Effect of Co/Cu/Co
Sandwich Film",
Transactions of Japanese Applied Magnetics Society, Bd. 19, Nr.
2, 1995, offenbart eine Struktur, bei der wie im Dokument (3) auf
einer Pufferlage, die aus Fe oder NiFe hergestellt ist, eine Co/Cu/Co-Sandwich-Dünnschicht
ausgebildet ist.
Die in 21 gezeigte
Spin-Valve-Dünnschicht
und die in 22 gezeigte
Sandwich-Dünnschicht
sind Dünnschichten
mit magnetoresistivem Effekt vom ungekoppelten Typ. Wenn die Kopplung
zwischen den magnetischen Lagen (die Zwischenlagenkopplung) zu stark
ist, werden folglich die Magnetisierungsrichtungen der zwei Lagen
nicht antiparallel, wodurch das Problem hervorgerufen wird, dass
der GMR nicht erzielt wird. Um nämlich
den GMR zu erhalten, dadurch dass ein antiparalleler Zustand der
Magnetisierungsrichtungen der zwei Lagen erreicht wird, ist es erforderlich,
die Kopplung zwischen den magnetischen Lagen zu schwächen. Das
Dokument (4) konzentrierte sich auf dieses Problem und berichtete
ein Verfahren, um die Kopplung zwischen den magnetischen Lagen abzuschwächen, indem
eine Fe- oder NiFe-Lage als Pufferlage der Co/Cu/Co-Sandwich-Dünnschicht
ausgebildet wird.
- (5) Das Dokument (5), die ungeprüfte japanische Patentanmeldung
66 033/1995 (Tokukaihei 7-66 033) offenbart eine Substrat/Pufferschicht/Co/Cu/Co-Struktur
oder eine Substrat/Pufferschicht/Co/Cu/Co/Deckschicht-Struktur.
In dieser Struktur wird als antiferromagnetisches Material CoO für die Pufferlage
oder die Deckschicht verwendet. Der magnetoresistive Effekt wird
verbessert, indem die Magnetisierung der an das CoO angrenzenden
Co-Lage fixiert wird.
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Bei
(2) und (5) des Standes der Technik wird die Magnetisierung der
Co-Schicht durch Schichten von CoO auf die Ca-Lage als Lage mit
festgehaltener Magnetisierung durch reaktives Katodenzerstäuben fixiert. Jedoch
ist der Néel-Punkt
eines derartigen antiferromagnetischen Materials, CoO, nicht hoch.
Folglich ist das Magnetfeld der Austauschkopplung zur Fixierung
der Magnetisierung der Co-Lage bei Raumtemperatur schwach und der
antiparallele Zustand der Magnetisierungsrichtungen kann nicht verwirklicht
werden. Es besteht nämlich
das Problem, dass der magnetoresistive Effekt nur bei tiefen Temperaturen
erhalten wird.
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Bei
(1), (3) und (4) des Standes der Technik ist die Oberfläche der
Co-Lage als Lage mit festgehaltener Magnetisierung der natürlichen
Oxidation ausgesetzt. Da jedoch die natürliche Oxidschicht (d. h. die
durch Luft oxidierte dünne
Schicht) verwendet wird, ist es nicht leicht, die magnetischen Eigenschaften
der Lage mit festgehaltener Magnetisierung zu steuern. Da außerdem das
Sättigungsfeld
der Lage mit festgehaltener Magnetisierung abgeschwächt ist,
ist die Lage mit festgehaltener Magnetisierung in Bezug auf das äußere Magnetfeld nicht
stabil. Insbesondere in einer Struktur, die NiFe als Lage mit freier
Magnetisierung verwendet, um die Empfindlichkeit zu verbessern,
ist das Sättigungsfeld
der Lage mit festgehaltener Magnetisierung derart schwach und das
maximale Sättigungsfeld
nimmt 16000 A/m (200 Oe) an. Folglich ist diese Struktur nicht praktikabel.
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Ferner
gibt es in den weiter oben erwähnten
Dokumenten (3) bis (5) des Standes der Technik Berichte über die
Pufferlage der Co/Cu/Co-Sandwich-Dünnschicht, Das unter (4) erwähnte Dokument
(4) beschreibt jedoch, dass mit einer Co/Cu/Co-Struktur ohne eine
Pufferlage kein GMR erzielt wird. Das Magnetowiderstandsverhältnis hängt nämlich stark
vom Material und von der Dicke der Pufferlage ab. Um ein hohes Magnetowiderstandsverhältnis zu
erhalten ist es erforderlich, eine Pufferlage mit einer Dicke von
ungefähr
70 Å (10 Å = 1 nm)
zu bilden, wenn Fe verwendet wird, oder von ungefähr 100 Å, wenn
NiFe verwendet wird. Folglich kann bei dem Verfahren der Abschwächung der
Kopplung zwischen den magnetischen Lagen durch Schaffen der Fe-
oder NiFe-Lage als Pufferlage der Sandwich-Dünnschicht die Wirkung nicht
erzielt werden, wenn die Fe- oder NiFe-Pufferlage nicht eine sehr
große
Dicke hat. Folglich ist der Gesamtwiderstand einer derartigen Sandwich-Dünnschicht
im Vergleich zu einer Dünnschicht
ohne Pufferlage viel niedriger. Also kann keine hohe Wiedergabeleistung
erzielt werden.
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Um
eine hohe Wiedergabeleistung zu verwirklichen ist es erforderlich,
ein hohes Magnetowiderstandsverhältnis
zu erzielen, ohne den Widerstand der Dünnschicht herabzusetzen. Da
jedoch der spezifische Widerstand von Fe und NiFe nur etwa 20 bis
30 μ_ cm
beträgt,
wird bei Verwendung von Fe oder NiFe als Pufferlage der Widerstand
der Dünnschicht
herabgesetzt. Außerdem
ist die Dünnschichtstruktur
eingeschränkt, da
die Pufferlage wesentlich ist. Folglich besteht ein Problem darin,
dass der Grad der Freiheit beim Entwurf des Aufbaus einer Vorrichtung
mit magnetoresistivem Effekt gering ist.
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Die
ungeprüfte
japanische Patentanmeldung Nr. 65 329/1995 (Tokukaihei 7-65 329)
offenbart eine Sandwichstruktur unter Verwendung einer Dünnschicht
mit großer
Koerzitivkraft anstelle der antiferromagnetischen Lage. In dieser
Struktur wird durch Verwenden einer Legierung aus Co-Pt oder anderer
Legierungen, wie etwa Co-Cr und Co-Ta, die Co als eine Hauptkomponente
enthalten, als Dünnschicht
mit großer
Koerzitivkraft eine Änderung
des Widerstands bei einem schwachen äußeren Magnetfeld erzeugt.
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Jedoch
ist das Magnetowiderstandsverhältnis,
das mit der Struktur erhalten wird, die in dieser Veröffentlichung
offenbart ist, so niedrig, dass es in der Größenordnung von 3% ist. Dies
ist dadurch begründet,
dass eine Aufspaltung des Stroms zu der Lage aus der Co-Legierung
erfolgt, da die Co-Legierung normalerweise einen spezifischen Widerstand
aufweist, der nur wenige zehn μ_
cm beträgt.
Außerdem
wird es für
erforderlich erachtet, in dieser Struktur die Dicke der Co-Pt-Dünnschicht
so weit wie möglich
zu verringern oder den Pt-Anteil zu verringern, um das Magnetowiderstandsverhältnis zu
erhöhen.
Jedoch verursachen beide dieser Verfahren eine Herabsetzung der
Koerzitivkraft.
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In
US 5,373,238 ist eine magnetoresistive
Vorrichtung beschrieben, die eine Sandwichstruktur aus vier Lagen
verkörpert,
wovon zwei ferromagnetisch sind und durch eine nicht ferromagnetische
metallische Lage voneinander getrennt sind. Eine ferromagnetische
Lage grenzt an eine vierte, antiferromagnetische Lage an und zeigt
eine Austauschanisotropie mit der angrenzenden ferromagnetischen
Lage. Die antiferromagnetische Lage könnte beispielsweise aus Eisenoxid,
Nickeloxid, Kobaltoxid, Oxid-Lösungen
davon, Eisensulfid und Eisen-Mangan-Legierungen
gebildet sein. Wenn Kobaltoxid eingesetzt wird, muss eine Kühlung vorgesehen werden,
um es unter die Néel-Temperatur
zu kühlen.
Die Übergangstemperatur
T
N ist die Temperatur des Übergangs
von einem antiferromagnetischen Material zu einem paramagnetischen
Material bei höherer
Temperatur. In
4 von
US 5,373,238 ist ein Diagramm
der Magnetowiderstandsänderung
gegen die Temperatur T (K) gezeigt. Die Kurve 101 in
4 zeigt, dass der Magnetowiderstand
bei 0 (K) ein Maximum von 14% Änderung
hat und bei ungefähr
180 (K), nahe der Néel-Temperatur
für CoO,
auf null geht. In Übereinstimmung mit
dem in Spalte 6, letzte Zeile bis Spalte 7, Zeile 2 beschriebenen
Experiment wurde die antiferromagnetische Lage durch Hinzufügen von
10% Sauerstoff zu der üblichen
organischen Atmosphäre
gebildet.
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EP 0 701 142 A1 offenbart
eine Dünnschicht
mit magnetoresistivem Effekt, die ein Substrat, wenigstens zwei
ferromagnetische Dünnschichten,
die auf dem Substrat mit einer dazwischen eingeschobenen nichtmagnetischen
Dünnschicht übereinandergestapelt
sind, und eine antiferromagnetische Dünnschicht, die an eine der
ferromagnetischen Dünnschichten
angrenzend angeordnet ist, umfasst. Um auch bei höheren Temperaturen
eine antiferromagnetische Lage zu erzielen, werden wenigstens zwei
antiferromagnetische Oxidmaterialien, die aus NiO, Ni
xCo
1–xO
und CoO ausgewählt
sind, abwechselnd aufeinandergeschichtet.
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JP 08 153 314 offenbart
die Verwendung von Ni-O, Fe-O oder Co-O als Schichtträger einer GMR-Dünnschicht
einer Mehrlagenstruktur. Bei Verwendung von Ni-O, Fe-O oder Co-O
wird die Grenzfläche zwischen
einer magnetischen Lage und einer nichtmagnetischen Lage eben, das
Magnetowiderstandsverhältnis
erhöht
sich und ein Magnetfeld, das die Widerstandsänderung angibt, ist reduziert
(ungefähr
25 Oe). Wie in den Ansprüchen
und zu der Ausführungsform
dieses Dokuments präzisiert
ist, liegt die Anzahl der magnetischen Lagen einer Dünnschicht
mit magnetoresistivem Effekt zwischen 8 und 14. Bei einer antiferromagnetischen
Kopplung der magnetischen Lagen sind die Magnetisierungsrichtungen
antiparallel angeordnet. Diese Mehrlagen-Dünnschicht mit magnetoresistivem
Effekt ist die so genannte GMR-Dünnschicht
vom gekoppelten Typ.
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JP 8 129 721 beschreibt
die Herstellung einer antiferromagnetischen NiO-Dünnschicht
und einer vierlagigen Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt,
welche diese antiferromagnetische Dünnschicht enthält. Die antiferromagnetische
Dünnschicht
wird durch HF-Katodenzerstäuben
des Targets auf der Basis einer Ni-Legierung in einem Sauerstoff
enthaltenden Ar-Plasma gebildet. Zuerst wird durch HF-Katodenzerstäuben im Ar-Plasma
eine Dünnschicht
mit magnetoresistivem Effekt gebildet, und anschließend wird
dasselbe Target für ein
HF-Katodenzerstäuben
in einem Sauerstoff enthaltenden Ar-Plasma verwendet, um eine antiferromagnetische
NiO-Dünnschicht
zu bilden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
erste Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung
mit magnetoresistivem Effekt, die im Stande ist, ein hohes Magnetowiderstandsver hältnis, ein
starkes Sättigungsfeld
und eine hohe Empfindlichkeit auch bei Raumtemperatur zu erzielen,
dadurch dass unmittelbar an einer Lage mit festgehaltener Magnetisierung
eine nichtmagnetische Oxidlage ausgebildet wird.
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Um
die erste Aufgabe zu lösen,
umfasst eine Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt der Erfindung:
eine
Schicht mit magnetoresistivem Effekt, die in einer Sandwichstrukturanordnung
eine erste magnetische Lage, deren Magnetisierungsrichtung sich
entsprechend einem äußeren Magnetfeld
dreht, eine nichtmagnetische Lage, die direkt angrenzend an die
erste magnetische Lage ausgebildet ist, und eine zweite magnetische Lage,
deren Magnetisierungsrichtung auf eine Richtung fixiert ist, aufweist,
wobei die zweite magnetische Lage direkt angrenzend an die nichtmagnetische
Lage angeordnet ist und eine größere Koerzitivkraft
als die erste magnetische Lage besitzt, wobei die Schicht mit magnetoresistivem
Effekt einen magnetoresistiven Effekt besitzt, der durch einen Winkel
zwischen den Magnetisierungsrichtungen der ersten magnetischen Lage
und der zweiten magnetischen Lage erzeugt wird; und eine Metalloxidlage,
die an die zweite magnetische Lage der Schicht mit magnetoresistivem
Effekt angrenzt, wobei die Metalloxidlage aus einem Oxid eines ferromagnetischen
Metalls mit einer Zusammensetzung gebildet ist, bei der die Magnetisierung
und die Koerzitivkraft bei Raumtemperatur null werden, wobei die
Metalloxidlage die Magnetisierung der zweiten magnetischen Lage bei
Raumtemperatur fixieren kann, wobei die "nichtmagnetische" Metalloxidlage durch reaktive Katodenzerstäubung gefertigt
wird, bei der ein Sauerstoffpartialdruck so gesteuert wird, dass
er höher
als ein erster Sauerstoffpartialdruck ist, bei dem die Magnetisierung
der Metalloxidschicht beseitigt ist, und niedriger als ein zweiter
Sauerstoffpartialdruck ist, bei dem die Koerzitivkraft einer mehrlagigen
Schicht, die durch die Metalloxidlage und die zweite metallische
Lage gebildet ist, bei Raumtemperatur gegen einen im Wesentlichen
konstanten Wert konvergiert.
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In
dieser Struktur ist die Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen
Lage auf eine Richtung fixiert, während sich die Magnetisierungsrichtung
der ersten magnetischen Lage frei dreht. Folglich ist, wenn ein
Magnetfeld auf diese Struktur angewendet wird, die Magnetisierungsrichtung
der ersten magnetischen Lage bestimmt. Wenn die Magnetisierungsrichtungen
der zwei magnetischen Lagen antiparallel sind und einen 180° entsprechenden,
entgegengesetzten Zustand aufweisen, hat die Dünnschicht einen maximalen Widerstand. Andererseits,
wenn die Magnetisierungsrichtungen parallel sind, hat die Dünnschicht
einen minimalen Widerstand, wodurch der magnetoresistive Effekt
erzeugt wird.
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Durch
Vorsehen einer "nichtmagnetischen" Metalloxidlage in
Kontakt mit der zweiten magnetischen Lage, um die Magnetisierungsrichtung
zu fixieren, wird in dieser Struktur die Koerzitivkraft der zweiten
magnetischen Lage erhöht.
Das hat zur Folge, dass ein Unterschied zwischen den Koerzitivkräften der
ersten und zweiten magnetischen Lage erzeugt und ein hohes Magnetowiderstandsverhältnis erzielt
wird.
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Bei
der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt, die in dem unter (5)
erwähnten
Dokument des Standes der Technik offenbart ist, kann bei Raumtemperatur
kein magnetoresistiver Effekt erzielt werden, da Co-Oxid verwendet
wird, das antiferromagnetische Eigenschaften zeigt. Andererseits
kann bei der Erfindung, da die "nichtmagnetische" Metalloxidlage verwendet
wird, die Koerzitivkraft der mehrlagigen Dünnschicht, die aus der Metalloxidlage
und der zweiten magnetischen Lage gebildet ist, erhöht werden.
Es ist folglich möglich, eine
Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt zu schaffen, die in Bezug
auf ein äußeres Magnetfeld
stabil ist, dadurch dass das Sättigungsfeld
des magnetoresistiven Effekts verstärkt wird.
-
Für ein umfassenderes
Verständnis
des Wesens und der Vorteile der Erfindung sollte die nachfolgende
ausführliche
Beschreibung herangezogen werden, die im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung vorgenommen
worden ist.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
1 ist eine Querschnittansicht,
welche die Schichtstruktur einer Vorrichtung mit magnetoresistivern Effekt
gemäß der Ausführungsform
1 der Erfindung zeigt;
-
2 ist eine Querschnittansicht,
welche die Schichtstruktur einer Vorrichtung mit magnetoresistivern Effekt
gemäß der Ausführungsform
2 der Erfindung zeigt;
-
3 ist ein Diagramm, das
die Änderungen
der Koerzitivkraft und der Magne tisierung einer Co-Oxiddünnschicht
in Bezug auf den Sauerstoffpartialdruck zeigt, wenn der Gesamtgasdruck
3 mTorr beträgt;
-
4 ist ein Diagramm, das
die Änderungen
der Koerzitivkraft und der Magnetisierung der Co-Oxiddünnschicht
in Bezug auf den Sauerstoffpartialdruck zeigt, wenn der Gesamtgasdruck
5 mTorr beträgt;
-
5 ist ein Diagramm, das
die Abhängigkeit
der Empfindlichkeit der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt
der Ausführungsform
1 vom Sauerstoffpartialdruck zeigt;
-
6 ist ein Diagramm, das
die Abhängigkeit
des Sättigungsfeldes
der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt vom Sauerstoffpartialdruck
zeigt;
-
7 ist ein Diagramm, das
die Korrelation zwischen dem Produkt Ms·t des Co einer Co-Oxiddünnschicht/Co-Mehrlagenschicht
und der Empfindlichkeit zeigt;
-
8 ist ein Diagramm, das
die Abhängigkeit
der Koerzitivkraft der Co-Oxiddünnschicht/Co-Mehrlagenschicht
vom Sauerstoffpartialdruck zeigt;
-
9 ist ein Diagramm, das
die Widerstandskurve einer Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt
als Probe Nr. 1 zeigt;
-
10 ist ein Diagramm, das
die Widerstandskurve einer Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt als
Vergleichsprobe Nr. 1 zeigt;
-
11 ist ein Diagramm, das
die Widerstandskurve einer Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt als
Vergleichsprobe Nr. 2 zeigt;
-
12 ist ein Diagramm, das
die Widerstandskurve einer Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt als
Vergleichsprobe Nr. 3 zeigt;
-
13 ist ein Diagramm, das
die Widerstandskurve einer Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt als
Vergleichsprobe Nr. 4 zeigt;
-
14 ist ein Diagramm, das
die Widerstandskurve einer Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt als
Probe Nr. 2 zeigt;
-
15 ist ein Diagramm, das
die Widerstandskurve einer Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt als
Vergleichsprobe Nr. 5 zeigt;
-
16(a) ist eine Perspektivansicht,
die den Aufbau eines Magnetkopfes zeigt, auf den die Vorrichtung
mit magnetoresistivem Effekt der Ausführungsform 1 Anwendung findet,
und 16(b) ist eine Ansicht zur
Erläuterung
der Wiedergabeoperation des Magnetkopfes;
-
20 ist eine Querschnittansicht,
die eine schematische Struktur einer herkömmlichen magnetoresistiven
Dünnschicht
vom mehrlagigen Typ zeigt;
-
21 ist eine auseinandergezogene
Perspektivansicht, die einen schematischen Aufbau einer herkömmlichen
Dünnschicht
mit magnetoresistivem Effekt vom Spin-Valve-Typ zeigt;
-
22 ist eine Querschnittansicht,
die eine schematische Struktur einer herkömmlichen magnetoresistiven
Dünnschicht
vom Sandwich-Typ zeigt.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
AUSFÜHRUNGSFORM 1
-
Die
folgende Beschreibung wird die Ausführungsform 1 der Erfindung
erläutern.
-
Wie 1 veranschaulicht, ist eine
Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt dieser Ausführungsform durch Übereinanderschichten
einer "nichtmagnetischen" Metalloxidlage 5,
einer Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung, einer nichtmagnetischen
Lage 3 und einer Lage 2 mit freier Magnetisierung
in dieser Reihenfolge auf einem Substrat 1 ausgeführt.
-
Die "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 ist
aus einem Oxid gebildet, das bei Raumtemperatur nichtmagnetische
Eigenschaften zeigt, so dass die Magnetisierung der angrenzenden
Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung fixiert wird.
Als "nichtmagnetisches" Metalloxid können Oxide
von ferromagnetischen Materialien wie etwa Co, Fe und Ni verwendet
werden. Der spezifische Widerstand eines derartigen "nichtmagnetischen" Metalloxids beträgt einige
cm.
-
Die
Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung (zweite magnetische
Lage) ist aus einer dünnen
Schicht aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Die Lage 4 mit
festgehaltener Magnetisierung besitzt eine große Koerzitivkraft und eine
auf eine Richtung fixierte Magnetisierung. Es ist möglich, als
Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung ein ferromagnetisches
Material wie Co zu verwenden.
-
Die
nichtmagnetische Lage 3 ist aus einem nichtmagnetischen
Metall wie etwa Cu gebildet.
-
Die
Lage 2 mit freier Magnetisierung (die erste magnetische
Lage) ist aus einer dünnen
Schicht aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Es ist möglich, für die Lage 2 mit
freier Magnetisierung eine NiFe-Lage, eine Co-Lage, eine Fe-Lage oder eine Verbundlage
aus Co und NiFe zu verwenden.
-
Die
Lage 2 mit freier Magnetisierung und die Lage 4 mit
festgehaltener Magnetisierung können
mittels Hochfrequenz-Magnetron-Katodenzerstäubung unter Einsatz von Argongas
abgelagert werden. Die nichtmagnetische Lage 3 kann durch
Gleichstrom-Magnetron-Katodenzerstäubung unter Einsatz von Argongas
abgelagert werden.
-
Die "nichtmagnetische" Metalloxidschicht 5 kann
durch reaktive HF-Magnetron-Katodenzerstäubung abgelagert werden. In
diesem Fall wird ein ferromagnetisches Material wie etwa Co, Ni
oder Fe als Target für die
Zerstäubung
verwendet, während
ein Gasgemisch aus Ar und O2 als Zerstäubergas
eingesetzt wird.
-
Als
Nächstes
werden die Zerstäubungsbedingungen
für die
Bildung der "nichtmagnetischen" Metalloxidlage 5 erläutert. Die
Ergebnisse der Messungen bei Verwendung einer Co-Oxiddünnschicht
als "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 sind
in der folgenden Beschreibung diskutiert.
-
Die 3 und 4 zeigen die Ergebnisse der Messung der Änderungen
der Koerzitivkraft (Hc) und der Magnetisierung (Ms) der Co-Oxiddünnschicht
in Abhängigkeit
vom Sauerstoffpartialdruck bei der Ablagerung der Schicht.
-
Zunächst wurden
Co-Oxiddünnschichten
abgelagert, wobei der Gesamtgasdruck des Gasgemischs aus Ar und
O2 auf 3 mTorr (1 Torr = 133 Pa) eingestellt
und der Sauerstoffpartialdruck des Gases variiert wurde. Dann wurden
die Koerzitivkräfte
und Magnetisierungen dieser Co-Oxiddünnschichten bei Raumtemperatur
gemessen. 3 ist ein
Diagramm, das die Abhängigkeit
der Koerzitivkraft und der Magnetisierung einer Co-Oxiddünnschicht
vom Sauerstoffpartialdruck bei der Ablagerung der Schicht entsprechend
den Ergebnissen der Messungen zeigt.
-
Aus 3 geht klar hervor, dass
eine Co-Oxiddünnschicht
mit einer starken Koerzitivkraft von nicht unter 32000 A/m (400
Oe) bei einem Sauerstoffpartialdruck erhalten wird, der im Bereich
von ungefähr
2,5 × 10–5 Torr
bis 3,0 × 10–5 Torr
liegt, wenn der Gesamtgasdruck 3 mTorr beträgt. Außerdem ist bekannt, dass die Koerzitivkraft
der Co-Oxiddünnschicht
in der Nähe
von 2,8 × 10–5 Torr
einen Höchstwert
hat.
-
Wenn
der Sauerstoffpartialdruck weiter erhöht wird, nimmt die Koerzitivkraft
der Co-Oxiddünnschicht ab
und wird bei ungefähr
3,5 × 10–5 Torr
null.
-
Andererseits
nimmt die Magnetisierung der Co-Oxiddünnschicht mit der Erhöhung des
Sauerstoffpartialdrucks monoton ab und wird wie die Koerzitivkraft
bei ungefähr
3,5 × 10–5 Torr
null.
-
Zusätzlich wurden
Co-Oxiddünnschichten
abgelagert, wobei der Gesamtgasdruck des Gasgemischs auf 5 mTorr
eingestellt und der Sauerstoffpartialdruck des Gases variiert wurde.
Dann wurden die Koerzitivkräfte
und Magnetisierungen dieser Co-Oxiddünnschichten bei Raumtemperatur
gemessen. 4 ist ein
Diagramm, das die Abhängigkeit
der Koerzitivkraft und der Magnetisierung einer Co-Oxiddünnschicht
vom Sauerstoffpartialdruck bei der Ablagerung der Schicht entsprechend
den Ergebnissen der Messungen zeigt.
-
In
diesem Fall zeigt die Koerzitivkraft einen Höchstwert, wenn der Sauerstoffpartialdruck
ungefähr
2,0 × 10–5 Torr
beträgt,
und wird bei 2,4 × 10–5 Torr
null. Andererseits nimmt die Magnetisierung der Co-Oxiddünnschicht
mit der Erhöhung
des Sauerstoffpartialdrucks monoton ab und wird bei 2,8 × 10–5 Torr
null.
-
Anhand
der Ergebnisse ist festgestellt worden, dass sich die Co-Oxiddünnschicht
bei Raumtemperatur aus einem ferromagnetischen Material in ein nichtmagnetisches
Material umwandelt, wenn die Co-Oxiddünnschicht bei einem Sauerstoffpartialdruck
von ungefähr
3,5 × 10–5 Torr
abgelagert wird, während
der Gesamtgasdruck 3 mTorr beträgt.
Die Co-Oxiddünnschicht
wandelt sich außerdem
bei Raumtemperatur in ein nichtmagnetisches Material um, wenn die
Co-Oxiddünnschicht
bei einem Sauerstoffpartialdruck von 2,8 × 10–5 Torr abgelagert
wird, während
der Gesamtgasdruck 5 mTorr beträgt.
-
8 ist ein Diagramm, das
die Abhängigkeit
der Koerzitivkraft und des Produkts Ms·t einer Mehrlagenschicht,
die durch Ablagern einer Co-Oxiddünnschicht und Co bei einem
Gesamtgasdruck von 3 mTorr gebildet wird, vom Sauerstoffpartialdruck
bei der Ablagerung der Dünnschicht
zeigt. Hier ist Ms·t
ein Produkt aus der Sättigungsmagnetisierung
und der Dicke der mehrlagigen Dünnschicht.
Die Koerzitivkraft und Ms·t
wurden bei Raumtemperatur gemessen.
-
Wie
in 8 veranschaulicht
ist, steigt die Koerzitivkraft der mehrlagigen Dünnschicht mit der Erhöhung des
Sauerstoffpartialdrucks steil an. Die Koerzitivkraft der Mehrlagenschicht
zeigt einen Maximalwert, wenn der Sauerstoffpartialdruck ungefähr 4,0 × 10–5 Torr
beträgt,
was höher
als der Sauerstoffpartialdruck ist, bei dem die Magnetisierung der
Co-Oxiddünnschicht
null wird, wie in 3 gezeigt
ist (ungefähr
3,50 × 10–5 Torr).
Wenn der Sauerstoffpartialdruck weiter erhöht wird, nimmt die Koerzitivkraft
mäßig ab.
Wenn der Sauerstoffpartialdruck 6,0 × 10–5 Torr übersteigt,
konvergiert die Koerzitivkraft gegen einen konstanten Wert von ungefähr 24000
A/m (ungefähr
300 Oe).
-
Nun
hat das Produkt Ms·t
der Mehrlagenschicht die gleiche Tendenz wie die in 3 gezeigte Sättigungsmagnetisierung der
Co-Oxiddünnschicht.
Wie die Koerzitivkraft ist der Wert des Sauerstoffpartialdrucks, bei
dem der Wert von Ms·t
im Wesentlichen null wird, zu einem höheren Wert hin verschoben.
Das Produkt Ms·t
nimmt nämlich
plötzlich
ab, wenn der Sauerstoffpartialdruck ungefähr 3,0 × 10–5 Torr
beträgt.
Bei einem Sauerstoffpartialdruck von ungefähr 4,0 × 10–5 Torr
ist Ms·t
im Wesentlichen null.
-
Wie
weiter oben beschrieben worden ist, ist es durch entsprechendes
Steuern des Sauerstoffpaxtialdrucks möglich, die nichtmagnetische
Co-Oxiddünn schicht
mittels reaktiver Katodenzerstäubung
herzustellen. Die entsprechende Steuerung des Sauerstoffpartialdrucks
erfolgt, indem der Partialdruck des Sauerstoffs in dem Gasgemisch
aus Ar und Sauerstoff so eingestellt wird, dass der Anteil des Sauerstoffs
in der sich ergebenden Co-Oxiddünnschicht
zwischen einem ersten Sauerstoffanteil und einem zweiten Sauerstoffanteil
liegt, wie weiter unten beschrieben wird.
-
Der
erste Sauerstoffanteil ist so bemessen, dass das Co unmagnetisch
gemacht wird. Der zweite Sauerstoffanteil liegt gerade unter dem
Anteil, der bewirkt, dass die Koerzitivkraft der mehrlagigen Dünnschicht, die
aus der Co-Oxiddünnschicht
und dem Co gebildet wird, auf einen im Wesentlichen konstanten Wert
eingestellt wird.
-
Als
Nächstes
wurden Vorrichtungen mit magnetoresistivem Effekt unter Verwendung
einer Co-Oxiddünnschicht
als "nichtmagnetischer" Metalloxidlage 5 hergestellt,
indem der Gesamtgasdruck auf 3 mTorr eingestellt und der Sauerstoffpartialdruck
variiert wurde. Die magnetischen Eigenschaften der Vorrichtungen
mit magnetoresistivem Effekt wurden gemessen. Die Ergebnisse der
Messungen sind in 5 bis 7 gezeigt. In diesem Fall
wurden die Eigenschaften des magnetoresistiven Effekts mittels eines
Verfahrens mit vier Anschlüssen
gemessen. Alle der in 5 bis 7 gezeigten Messungen wurden
bei Raumtemperatur durchgeführt.
-
Die
Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt wurde hergestellt, indem
auf dem Substrat 1 die "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 aus
einer Co-Oxiddünnschicht
mit einer Dicke von 200 Å,
die Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung aus einer
Co-Dünnschicht
mit einer Dicke von 20 Å,
die nichtmagnetische Lage 3 aus einer Cu-Dünnschicht
mit einer Dicke von 26 Å und
eine Lage 2 mit freier Magnetisierung aus einer NiFe-Dünnschicht
mit einer Dicke von 70 Å übereinandergeschichtet
wurden.
-
6 ist ein Diagramm, das
die Abhängigkeit
des Sättigungsfeldes
des magnetorestriktiven Effekts der Vorrichtung mit magnetorestriktiven
Effekt vom Sauerstoffpartialdruck als Bedingung für die Ablagerung der "nichtmagnetischen" Metalloxidlage 5 zeigt.
Aus 6 geht klar hervor,
dass das Sättigungsfeld
des magnetorestriktiven Effekts bei einer Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks
einen Maximalwert in der Nähe
von etwa 4,2 × 10–5 Torr
zeigte. Wenn der Sau erstoffpartialdruck weiter erhöht wurde,
hatte das Sättigungsfeld
das Bestreben, sich bei ungefähr
40000 A/m (ungefähr
500 Oe) zu stabilisieren. In diesem Fall, bei Sauerstoffpartialdrücken von
nicht weniger als einem Partialdruck, bei dem die Co-Oxiddünnschicht
nichtmagnetisch wird (hier nicht weniger als 3,5 × 10–5 Torr),
betrug der Maximalwert des Sättigungsfeldes
100000 A/m (1250 Oe) und der Minimalwert davon ungefähr 32000
A/m (ungefähr
400 Oe). Diese Werte reichen aus, um die Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt auf ein magnetisches Gerät
anwenden zu können.
-
5 ist ein Diagramm, das
die Abhängigkeit
der Empfindlichkeit der Vorrichtung mit magnetorestriktiven Effekt
vom Sauerstoffpartialdruck als Bedingung für die Ablagerung der "nichtmagnetischen" Metalloxidlage 5 zeigt.
In 5 sind die Werte
der Empfindlichkeit bei den entsprechenden Sauerstoffpartialdrücken in Bezug
auf die Empfindlichkeit normiert, die bei 2,85 × 10–5 Torr
erhalten wurde.
-
Wie
in 5 veranschaulicht
ist, steigt die Empfindlichkeit bei einer Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks
monoton an und gelangt bei Sauerstoffpartialdrücken von nicht weniger als
etwa 4,2 × 10–5 Torr
in die Sättigung.
Eine solche Tendenz ist im Wesentlichen mit der Tendenz der in 3 gezeigten Abnahme der
Magnetisierung der Co-Oxiddünnschicht
in Übereinstimmung.
Da nämlich
die Oxidation des Co bei einer Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks
fortschreitet, nimmt die Magnetisierung der Co-Oxiddünnschicht
ab und die Empfindlichkeit der Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt wird verbessert. Wenn die Co-Oxiddünnschicht bei weiterer Erhöhung des
Sauerstoffpartialdrucks abgelagert wird, schreitet die Oxidation
der Co-Oxiddünnschicht
weiter fort und die Erhöhung
der Empfindlichkeit der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt
gelangt in die Sättigung.
Dies wird erzielt, indem die Co-Oxiddünnschicht bei einem Sauerstoffpartialdruck
abgelagert wird, der im Wesentlichen dem Sauerstoffpartialdruck
gleich ist, bei dem die Magnetisierung der Co-Oxiddünnschicht
vollkommen beseitigt ist.
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7 ist ein Diagramm, das
die Beziehung zwischen dem Produkt Ms·t und der Empfindlichkeit
einer Mehrlagenschicht zeigt, die durch Übereinanderschichten einer
Co-Oxiddünnschicht,
die durch reaktives Katodenzerstäuben
abgelagert wird, und Co gebildet wird. Aus 7 wird klar, dass die Empfindlichkeit
mit einer Zuname von Ms·t
abnimmt. Es besteht eine gute Korrelation zwischen der Abnahme von
Ms·t
und der Zunahme der Empfindlichkeit.
-
Ausgehend
von den oben angeführten
Messungen wird vermutet, dass die Erhöhung der Empfindlichkeit aus
folgendem Grund durch die Erhöhung
des Sauerstoffpartialdrucks erfolgt: Wenn nämlich die Magnetisierung der
Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung, die an die Co-Oxiddünnschicht
angrenzt, abnimmt, wird die magnetostatische Kopplung zwischen der
Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung und der Lage 2 mit
freier Magnetisierung schwächer
und folglich wird der Einfluss der Lage 4 mit festgehaltener
Magnetisierung auf das Umschalten der Magnetisierung der Lage 2 mit
freier Magnetisierung geringer.
-
Aus
den oben angegebenen Messungen ist klar, dass durch Anwenden solcher
Zerstäubungsbedingungen
für die
Bildung einer nichtmagnetischen Co-Oxiddünnschicht eine Vorrichtung
mit magnetoresistivem Effekt erhalten wird, die ein starkes Sättigungsfeld
und eine hohe Empfindlichkeit der Widerstandsänderung gegenüber einem
Magnetfeld bei Raumtemperatur aufweist. Die oben angegebenen Zerstäubungsbedingungen
werden erfüllt,
indem ein geeigneter Gesamtgasdruck, ein geeigneter Sauerstoffpartialdruck
und die zuzuführende
Leistung so ausgewählt
werden, dass die Magnetisierung der Co-Oxiddünnschicht beseitigt wird. Beispielsweise
wird dann, wenn der Gesamtgasdruck 3 mTorr beträgt, die Magnetisierung der
Co-Oxiddünnschicht
beseitigt, indem der Sauerstoffpartialdruck auf nicht weniger als
3,5 × 10–5 Torr
gesteuert wird. Wenn der Gesamtgasdruck 5 mTorr beträgt, wird
die Magnetisierung der Co-Oxiddünnschicht
beseitigt, indem der Sauerstoffpartialdruck auf nicht weniger als
2,8 × 10–5 Torr
gesteuert wird.
-
Um
eine Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt zu erzielen, die ein
starkes Sättigungsfeld
aufweist, ist es erforderlich, von der Lage 4 mit festgehaltener
Magnetisierung mit hoher Koerzitivkraft Gebrauch zu machen. Wie 8 veranschaulicht, werden
selbst bei der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt, die bei
einem Sauerstoffpartialdruck von 7,5 × 10–5 Torr
abgelagert worden ist, bei dem die Koerzitivkraft gegen einen konstanten
Wert konvergiert, ein starkes Sättigungsfeld
und eine hohe Empfindlichkeit erhalten, wie in den 5 und 6 gezeigt
ist. Wenn die Koerzitivkraft der mehrlagigen Schicht aus der Co-Oxiddünnschicht
und Co nicht geringer als 20000 A/m (250 Oe) ist, gibt es nämlich einen
signifikanten Unterschied zwischen der Koerzitivkraft der Lage 4 mit festgehaltener
Magnetisierung und der Koerzitivkraft der Lage 2 mit freier
Magnetisierung. Es ist folglich möglich, eine Vorrichtung mit
magnetoresistivem Effekt herzustellen, die ein starkes Sättigungsfeld
aufweist. Deshalb wurde bei dieser Ausführungsform die untere Grenze
der Koerzitivkraft der mehrlagigen Schicht aus der nichtmagnetischen
Co-Oxiddünnschicht
und Co auf 20000 A/m (250 Oe) festgelegt.
-
Da
sich die optimalen Zerstäubungsbedingen
je nach den Katodenzerstäubungsanlagen
unterscheiden, sind die oben erwähnten
Bedingungen nicht zwingend erforderlich; es besteht jedoch die Überlegung, dass
es ganz allgemein ähnliche
Tendenzen gibt. Die Bedingungen, die bei dieser Ausführungsform
verwendet worden sind, stellen ein Beispiel dar.
-
Die
folgende Beschreibung wird Beispiele für die Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt erläutern.
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Die
Probe Nr. 1 wurde angefertigt, indem auf dem Substrat 1,
das aus einem Glas- oder Si-(100)-Substrat hergestellt wurde, die "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 aus
Co-Oxid mit einer Dicke von 200 Å, die Lage 4 mit
festgehaltener Magnetisierung aus Co mit einer Dicke von 20 Å, die nichtmagnetische
Lage 3 aus Cu mit einer Dicke von 26 Å und die Lage 2 mit
freier Magnetisierung aus NiFe mit einer Dicke von 70 Å übereinandergeschichtet
wurden.
-
Die
Zerstäubungsbedingungen
für die
entsprechenden Lagen sind folgende: Die Co-Oxiddünnschicht wurde durch reaktives
HF-Magnetron-Katodenzerstäuben
in einer Ar + 1,4% O2-Gas-Atmosphäre bei 3
mTorr und einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 24 Å/min abgelagert.
Die Co-Lage wurde durch HF-Magnetron-Katodenzerstäuben bei
einem Ar-Druck von 5 mTorr und einer Abscheidungsgeschwindigkeit
von 40 Å/min abgelagert.
Die Cu-Lage wurde durch Gleichstrom-Magnetron-Katodenzerstäuben bei
einem Ar-Druck von 5 mTorr und einer Abscheidungsgeschwindigkeit
von 32 Å/min
abgelagert. Die NiFe-Lage wurde durch herkömmliches HF-Katodenzerstäuben bei
einem Ar-Druck von
5 mTorr und einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 19 Å/min abgelagert.
In diesem Fall ist die Magnetisierung der Co-Oxiddünnschicht
null, wie in 3 gezeigt
ist, und deshalb ist die Co-Oxiddünnschicht nichtmagnetisch.
-
9 zeigt die Widerstandskurve
der Probe Nr. 1 bei Raumtemperatur. Die Widerstandskurve repräsentiert
die Abhängigkeit
der Widerstandsänderung
(MR) vom äußeren Magnetfeld
(H). Eine bevorzugte Widerstandskurve zeichnet sich dadurch aus,
dass sich der Widerstand plötzlich
erhöht,
wenn das Magnetfeld nahe null ist, und der maximale Widerstandswert
bis zum stärksten
möglichen
Magnetfeld beibehalten wird. Ein solches Verhalten bedeutet, dass
die Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt eine gute magnetische Empfindlichkeit,
ein starkes Sättigungsfeld,
aufweist und in Bezug auf das äußere Magnetfeld äußerst stabil
ist.
-
Die
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Messungen des Magnetowiderstandsverhältnisses
(%), der Empfindlichkeit der Widerstandsänderung (Relativwert) und des
Sättigungsfeldes
(A/m (Oe)) der Probe Nr. 1 gemäß 9. In der Tabelle 1 sind
außerdem
für Vergleichszwecke
die Eigenschaften der Vergleichsproben Nr. 1 bis Nr. 4, die aus
demselben Material mit unterschiedlichen Lagenstrukturen gebildet
sind, aufgeführt.
In der Tabelle 1 ist die Empfindlichkeit der Widerstandsänderung
durch einen Relativwert gegeben, wobei die Empfindlichkeit der Probe
Nr. 4 auf 1 gesetzt wurde. Die Widerstandskurven bei Raumtemperatur
der Vergleichsproben Nr. 1 bis Nr. 4 sind jeweils in den 10 bis 13 gezeigt.
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Bei
der Vergleichsprobe Nr. 1 wurde Fe als Pufferlage für das Co
als Lage mit freier Magnetisierung in einer Co/Cu/Co-Sandwichschicht
verwendet. Außerdem
wurde die Koerzitivkraft erhöht,
indem das Co als Lage mit festgehaltener Magnetisierung der natürlichen
Oxidation ausgesetzt wurde.
-
Bei
der Vergleichsprobe Nr. 2 wurde, um die Empfindlichkeit zu erhöhen, statt
des Fe in der Struktur der Vergleichsprobe Nr. 1 NiFe verwendet,
das ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften zeigt.
-
Bei
der Vergleichsprobe Nr. 3 wurde, um das Sättigungsfeld zu verstärken, eine
Co-Oxiddünnschicht aus
einem fenomagnetischen Material mit einer hohen Koerzitivkraft anstelle
des natürlichen
Oxidfilms in der Struktur der Vergleichsprobe Nr. 2 verwendet. Die
Co-Oxiddünnschicht
aus fenomagnetischem Material wurde eingesetzt, um die Magnetisierung
der Lage mit festgehaltener Magnetisierung zu fixieren. Die Co-Oxiddünnschicht
aus ferromagnetischem Material wurde bei einem solchen Sauerstoffpartialdruck
gebildet, der die Koer zitivkraft der Co-Oxiddünnschicht maximiert, wie 3 entnommen werden kann.
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Bei
der Vergleichsprobe Nr. 4 wurde anstelle der nichtmagnetischen Co-Oxiddünnschicht
in der Struktur der Vergleichsprobe Nr. 1 eine Co-Oxiddünnschicht
aus einem ferromagnetischen Material, ähnlich der Co-Oxiddünnschicht,
die für
die Vergleichsprobe Nr. 3 benutzt wurde, verwendet.
-
-
Es
folgt eine Besprechung der 9 bis 13 sowie der in der Tabelle
1 gezeigten Ergebnisse.
-
Was
die Vergleichsprobe Nr. 1 anbelangt, so wird durch das Fe bewirkt,
dass die untere Co-Lage (mit freier Magnetisierung) weichmagnetische
Eigenschaften und eine geringere Koerzitivkraft besitzt.
-
Andererseits
ist die Koerzitivkraft der oberen Co-Lage (mit festgehaltener Magnetisierung)
durch den natürlichen
Oxidfilm verstärkt.
Es ist folglich möglich,
ein großes
Magnetowiderstandsverhältnis
von ungefähr 10%
bei der Vergleichsprobe Nr. 1 zu erhalten. Jedoch ist die Vergleichsprobe
Nr. 1 gegenüber
einem äußeren Magnetfeld
nicht stabil. Dies erklärt
sich aus dem Ergebnis, dass das Sättigungsfeld dieser Probe ungefähr 23900
A/m (300 Oe) beträgt.
Außerdem
ist die Empfindlichkeit der Vergleichsprobe Nr. 1 nicht so gut.
-
Was
die Vergleichsprobe Nr. 2 anbelangt, so wird NiFe eingesetzt, um
die Koerzitivkraft der unteren Co-Lage (mit freier Magnetisierung)
zu verringern. Obwohl bei der Vergleichsprobe Nr. 2 die Empfindlichkeit höher ist,
ist das Sättigungsfeld
der Lage mit festgehaltener Magnetisierung extrem schwach. Wenn
das Sättigungsfeld
der Lage mit festgehaltener Magnetisierung wie bei dieser Probe
schwach ist, wird das Verhalten als Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt instabil. Es ist folglich schwierig, eine derartige Vorrichtung
mit magnetoresistivem Effekt auf ein magnetisches Gerät, wie etwa
Magnetköpfe
oder Magnetsensoren, anzuwenden.
-
Was
die Vergleichsproben Nr. 3 und Nr. 4 anbelangt, so wird Co durch
reaktives Katodenzerstäuben aktiv
oxidiert, so dass sich die Koerzitivkraft des Co als Lage mit festgehaltener
Magnetisierung erhöht.
Bei einer solchen Struktur ist es möglich, durch die Verwendung
des natürlichen
Oxidfilms ein im Vergleich zur Vergleichsprobe Nr. 2 höheres Magnetowiderstandsverhältnis und
ein stärkeres
Sättigungsfeld
zu erzielen. Es ist außerdem
möglich,
im Vergleich zu einer Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt,
die eine Dünnschicht
mit hoher Koerzitivkraft, die aus Co-Pt hergestellt ist, anstelle
der ferromagnetischen Co-Oxiddünnschicht
verwendet, ein höheres
Magnetowiderstandsverhältnis
und ein stärkeres
Sättigungsfeld
zu erzielen.
-
Jedoch
ist bei den Strukturen der Proben Nr. 3 und Nr. 4, obwohl das Sättigungsfeld
verstärkt
ist, die Empfindlichkeit vermindert, und diese Werte sind für eine praktische
Anwendung nicht ausreichend. Dies hat zur Ursache, dass die Lage
mit freier Magnetisierung und die Lage mit festgehaltener Magnetisierung
magnetostatisch gekoppelt sind und die Drehung der Magnetisierung
der Lage mit freier Magnetisierung weichmagnetisch nicht stattfindet.
Die Magnetisierung der Lage mit freier Magnetisierung ist nämlich durch
die Magnetisierung der Lage mit festgehaltener Magnetisierung beeinflusst
und wird nicht leicht umgeschaltet.
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Andererseits,
obwohl die Probe Nr. 1 ein etwas niedrigeres Magnetowiderstandsverhältnis von
4,7% aufweist, ist ihre magnetische Empfindlichkeit wenigstens zweimal
höher als
jene der Vergleichsprobe Nr. 4. Außerdem hat das Sättigungsfeld
der Probe Nr. 1 eine Stärke
von 76000 A/m (955 Oe), was mehr als 1,5-mal stärker als jenes der Vergleichsprobe
Nr. 4 ist. Beim Vergleichen der in den 9 und 13 gezeigten
Kurven wird verständlich,
dass sich das Sättigungsfeld
der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung durch die
Verwendung der nichtmagnetischen Co-Oxiddünnschicht zur Fixierung der
Magnetisierung der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung
wie bei der Probe Nr. 1 verstärkt.
Außerdem
ist aus der Steigung der Kurven in der Nähe des Nullmagnetfeldes dieser
Figuren klar, dass die Probe Nr. 1, welche die nichtmagnetische
Co-Oxiddünnschicht
verwendet, eine höhere
Empfindlichkeit als die Vergleichsprobe Nr. 4 aufweist. Durch die
Verwendung der nichtmagnetischen Co-Oxiddünnschicht, um die Magnetisierung
der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung zu fixieren,
wird sowohl die Empfindlichkeit der Widerstandsänderung der Sandwichschicht
erhöht als
auch das Sättigungsfeld
der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung verstärkt.
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Wie
weiter oben beschrieben ist die Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt dieser Ausführungsform durch Übereinanderschichten
der "nichtmagnetischen" Metalloxidlage 5,
einer Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung, einer nichtmagnetischen
Lage 3 und einer Lage 2 mit freier Magnetisierung
in dieser Reihenfolge auf einem Substrat 1 verwirklicht
worden.
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Bei
dieser Struktur ist dann, wenn ein äußeres Magnetfeld anliegt, die
Magnetisierungsrichtung der Lage 2 mit freier Magnetisierung
bestimmt. Wenn die Magnetisierungsrichtung der Lage 2 mit
freier Magnetisierung und jene der Lage 4 mit festgehaltener
Magnetisierung antiparallel sind und einen 180° entsprechenden, entgegengesetzten
Zustand aufweisen, hat die Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt
einen maximalen Widerstand. Andererseits, wenn die Magnetisierungsrichtungen
der zwei Lagen 2 und 4 gleich sind, nämlich parallel,
hat die Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt einen minimalen
Widerstand.
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Wenn
bei dieser Struktur die Koerzitivkraft der Lage 4 mit festgehaltener
Magnetisierung groß ist, nimmt
der Unterschied zwischen der Koerzitivkraft der magnetischen Lage 2 und
jener der magnetischen Lage 4 zu, wodurch eine Vorrichtung
mit magnetoresistivem Effekt geschaffen wird, die ein stabiles Verhalten
besitzt.
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Außerdem wird
durch das Vorsehen der "nichtmagnetischen" Metalloxidlage 5 die
Koerzitivkraft der mehrlagigen Dünnschicht,
die aus der nichtmagnetischen Oxidlage 5 und der Lage 4 mit
festgehaltener Magnetisierung gebildet ist, auf Werte verstärkt, die
bei Raumtemperatur nicht geringer als 20000 A/m (250 Oe) sind. Es
ist folglich möglich,
das Sättigungsfeld
der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung zu verstärken und
eine Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt zu schaffen, die gegenüber dem äußeren Magnetfeld
stabil ist. Da die Metalloxidlage 5 nichtmagnetisch ist,
verringert sich außerdem
das Produkt Ms·t
der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung, und die magnetostatische
Kopplung zwischen der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung
und der Lage 2 mit freier Magnetisierung wird abgeschwächt. Das
hat zur Folge, dass das Umschalten der Magnetisierung der Lage 2 mit
freier Magnetisierung problemlos stattfindet und die Empfindlichkeit
der Widerstandsänderung
besser ist.
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Da
der riesige magnetoresistive Effekt bei Raumtemperatur ohne eine
vorgesehene Pufferlage aus einem Material mit einem niedrigen spezifischen
Widerstand wie Fe und Ni-Fe erzeugt wird, ist es möglich, die Struktur
der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt zu vereinfachen. Zusätzlich weist
die "nichtmagnetische" Metalloxidschicht 5 einen
hohen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von cm auf. Es ist
folglich möglich,
ein hohes Magnetowiderstandsverhältnis
zu erzielen, ohne den Gesamtwiderstand der Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt zu verringern. Es ist möglich,
unter Verwendung der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt einen
Magnetkopf oder einen Magnetsensor mit einer hohen Widergabeleistung
herzustellen.
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Wenn
die "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 als
Pufferlage unmittelbar an der Lage 2 mit freier Magnetisierung
angeordnet ist, d. h. wenn Substrat/nichtmagnetische Oxidlage/Lage
mit freier Magnetisierung/Lage mit festgehaltener Magnetisierung
in dieser Reihenfolge übereinandergeschichtet
sind, ist zwar das Magnetowiderstandsverhältnis verbessert, ein zweckmäßiger Empfindlichkeitswert
ist jedoch nicht erreicht worden. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen ist
es folglich erforderlich, wie bei dieser Ausführungsform die "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 und
die Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung unmittelbar
nebeneinander auszubilden.
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Außerdem ist
es durch Anwenden der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt auf
einen Magnetkopf möglich,
die Leistungsfähigkeit
des Lesens von Informationen in Bezug auf ein magnetisches Aufzeichnungsmedium
mit hoher Aufzeichnungsdichte zu verbessern.
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16(a) ist eine Perspektivansicht,
die den schematischen Aufbau eines Magnetkopfes 7 zeigt,
der die Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt dieser Ausführungsform
verwendet. Der Magnetkopf 7 wird verwendet, um die Wiedergabe
in Magnetaufzeichnungs- und Wiedergabegeräten wie etwa in Magnetplatten-
und Magnetbandvorrichtungen auszuführen. Der Magnetkopf 7 bewegt
sich relativ zu einem magnetischen Aufzeichnungsmedium, auf dem
Informationen magnetisch aufgezeichnet sind und erfasst die Stärke eines
Magnetfeldes, die durch den oben dargestellten magnetoresistiven
Effekt von dem magnetischen Aufzeichnungsmedium entgegengenommen
wird. Der Magnetkopf 7 weist an einer seiner Kanten die
Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt dieser Ausführungsform
auf. Außerdem
umfasst der Magnetkopf 7 Signalanschlussleitungen 8,
einen an die Signalanschlussleitungen 8 angeschlossenen
Leiter und eine Konstantstromquelle P, die Leitungsmittel bilden,
um einen Stromfluss in der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt
zu bewirken. Außerdem
umfasst der Magnetkopf 7 eine Erfassungseinrichtung V,
welche das Erfassungsmittel für
die Erfassung des elektrischen Widerstands der Vorrichtung bildet,
der sich in Übereinstimmung
mit der Stärke
des Magnetfeldes des magnetischen Aufzeichnungsmediums ändert. Die
Erfassungseinrichtung V erfasst eine Änderung des elektrischen Widerstands
der Vorrichtung, in der durch die Konstantstromquelle P ein Konstantstrom veranlasst
wird, durch die Signalanschlussleitungen 8 und den Leiter
L zu fließen,
als eine Spannungsänderung
und gibt die Änderung
als ein Spannungssignal aus. Die Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt ist in einer Sandwichstruktur zwischen einer oberen abschirmenden
Lage 9 und einer unteren abschirmenden Lage 10 aus
isolierenden Lagen (nicht gezeigt) angeordnet.
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16(b) ist eine Ansicht zur
Erläuterung
des Magnetkopfes 7 und der Wiedergabeoperation des Magnetkopfes 7.
Wie 16(b) veranschaulicht,
ist der Magnetkopf 7 in unmittelbarer Nähe eines magnetischen Aufzeichnungsmediums 30 angeordnet,
und ein Signalmagnetfeld (durch die gepunktete Linie angegeben) von
dem magnetischen Aufzeichnungsmedium 30 wirkt auf die Vorrichtung
mit magnetoresistivem Effekt ein. Zu diesem Zeitpunkt dreht sich
die Richtung der Magnetisierung M1 der Lage 2 mit freier
Magnetisierung der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt entsprechend
dem Signalmagnetfeld, wobei sie in einer Richtung orientiert wird,
die von der Richtung der Magnetisierung M2 der Lage 4 mit
festgehaltener Magnetisierung verschieden ist. Dies hat zur Folge,
dass sich der Widerstand der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt ändert. Durch
die Änderung
des Widerstands ändert
sich die von der Erfassungseinrichtung V zu erfassende Spannung.
Die auf dem magnetischen Speichermedium 30 aufgezeichneten
Signale können
durch Messen der Spannung ausgelesen werden. Die Buchstaben N und
S, die auf dem magnetischen Speichermedium 30 gezeigt sind,
repräsentieren
die magnetische Polarisation der auf dem Medium 30 aufgezeichneten
Signale.
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AUSFÜHRUNGSFORM 2
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Die
folgende Beschreibung wird die Ausführungsform 2 der vorliegenden
Erfindung diskutieren. Die Elemente, die jenen, die in den Figuren
der weiter oben erwähnten
Ausführungsform
gleich sind, werden mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet und
ihre Beschreibung entfällt.
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Zusätzlich zu
der in der Ausführungsform
1 beschriebenen Struktur umfasst eine Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt dieser Ausführungsform
eine oxidationshemmende Dünnschicht
als oberste Lage. Genauer gesagt ist, wie in 2 veranschaulicht ist, die Vorrichtung
mit magnetoresistivem Effekt durch Übereinanderschichten der "nichtmagnetischen" Metalloxidlage 5,
der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung, der nichtmagnetischen
Lage 3, der Lage 2 mit freier Magnetisierung und
der oxidationshemmenden Dünnschicht 6 in
dieser Reihenfolge auf dem Substrat 1 gebildet.
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Die
oxidationshemmende Dünnschicht 6 ist
aus einem nichtmagnetischen Metall hergestellt und wird verwendet,
um die Oxidation der Oberfläche
der Lage 2 mit freier Magnetisierung zu verhindern. Als
oxidationshemmende Dünnschicht 6 können nichtmagnetische
Metalle wie Cu verwendet werden.
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Weiter
unten wird eine Probe der oben erwähnten Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt beschrieben.
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Die
Probe Nr. 2 wurde angefertigt, indem auf das Substrat 1 die "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 aus
einem nichtmagnetischen Co-Oxid mit einer Dicke von 200 Å, die Lage 4 mit
festgehaltener Magnetisierung aus Co mit einer Dicke von 20 Å, die nichtmagnetische
Lage 3 aus Cu mit einer Dicke von 26 Å, die Lage 2 mit
freier Magnetisierung aus Co mit einer Dicke von 20 Å und die
oxi dationshemmende Dünnschicht 6 aus Cu
mit einer Dicke von 20 Å übereinandergeschichtet
wurden. Die Bedingungen für
die Ablagerung der Dünnschichten
der entsprechenden Lagen sind die gleichen wie bei der Probe Nr.
1.
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14 zeigt die Widerstandskurve
der Probe Nr. 2 bei Raumtemperatur. Die Tabelle 2 gibt die Ergebnisse
der Messungen des Magnetowiderstandsverhältnisses (%), der Empfindlichkeit
der Widerstandsänderung
(Relativwert) und des Sättigungsfeldes
(A/m (Oe)) der Probe Nr. 2 gemäß 14 an. In der Tabelle 2
sind außerdem
für Vergleichszwecke
die Eigenschaften der Vergleichsprobe Nr. 5 angeführt, die
aus demselben Material mit einer anderen Lagenstruktur gebildet
ist. In der Tabelle 2 ist die Empfindlichkeit der Widerstandsänderung
durch Relativwerte gegeben, wobei die Empfindlichkeit der Vergleichsprobe
Nr. 5 auf 1 gesetzt wurde. Die Widerstandskurve der Vergleichsprobe
Nr. 5 bei Raumtemperatur ist in 15 gezeigt.
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Die
Vergleichsprobe Nr. 5 verwendet die aus einem ferromagnetischen
Material mit einer großen
Koerzitivkraft (dem gleichen wie jenes, das für die Proben Nr. 3 und 4 verwendet
wurde) hergestellte Co-Oxiddünnschicht
anstelle der nichtmagnetischen Co-Oxiddünnschicht in der Struktur der
Probe Nr. 2, um die Magnetisierung der Lage mit festgehaltener Magnetisierung
zu fixieren.
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Wie
in der Tabelle 2 gezeigt ist, erbrachte die Probe Nr. 2 in Bezug
auf das Magnetowiderstandsverhältnis,
die Empfindlichkeit und das Sättigungsfeld
jeweils bessere Ergebnisse als die Vergleichsprobe Nr. 5. Außerdem war
im Vergleich zu der in der Ausführungsform
1 beschriebenen Probe Nr. 1 das Magnetowiderstandsverhältnis der
Probe Nr. 2 signifikant höher.
Was die Empfindlichkeit anbelangt, so ist klar, dass die Empfindlichkeit
der Probe Nr. 1 besser als jene der Probe Nr. 2 ist, da NiFe stärker weichmagnetische
Eigenschaften als Co hat.
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Wie
weiter oben beschrieben worden ist, hat die Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt dieser Ausführungsform ähnlich wie
die Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt der Ausführungsform
1 die "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 in
Kontakt mit der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung.
Es ist folglich möglich, wie
bei der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt der Ausführungsform
1 ein hohes Magnetowiderstandsverhältnis bei Raumtemperatur zu
erhalten.
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Außerdem ist
bei der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt dieser Ausführungsform
die Magnetisierung der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung
durch die "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 fixiert
und die Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung besitzt
eine große
Koerzitivkraft. Andererseits ist die Koerzitivkraft der Lage 2 mit
freier Magnetisierung, die durch die oxidationshemmende Dünnschicht 6 vor
dem Oxidieren geschützt
ist, nicht erhöht.
Das hat zur Folge, dass der Unterschied zwischen der Koerzitivkraft
der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung und jener
der Lage 2 mit freier Magnetisierung größer ist. Es ist folglich möglich, eine
Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt zu erhalten, die ein Verhalten
aufweist, das stabiler als jenes der Vorrichtung der Ausführungsform
1 ist.
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Wenn
bei der Struktur der Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt dieser
Ausführungsform
nicht die oxidationshemmende Lage 6 als oberste Lage ausgebildet
ist, bildet sich auf der Lage 2 mit freier Magnetisierung
ein natürlicher
Oxidfilm, und die Lage 2 mit freier Magnetisierung hat
eine große
Koerzi tivkraft. Als beispielsweise eine Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt durch Schichten einer Cu (24,6 Å)/Co (43,5 Å)-Dünnschicht
auf ein Glassubstrat und Oxidieren des Co mit Luft gebildet wurde,
betrug die Koerzitivkraft der Vorrichtung mit magnetoresistivem
Effekt 2490,0 A/m (31,3 Oe). Andererseits betrug die Koerzitivkraft
einer Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt, die durch Schichten
einer Cu (24,6 Å)/Co
(43,5 Å)/Cu
(20 Å)-Dünnschicht
auf ein Glassubstrat gebildet wurde, 915 A/m (11,5 Oe). Folglich
nimmt dann, wenn sich die Koerzitivkraft der Lage 2 mit
freier Magnetisierung erhöht,
der Unterschied zwischen der Koerzitivkraft der Lage 2 mit freier
Magnetisierung und jener der Lage 4 mit festgehaltener
Magnetisierung ab. Es ist folglich unmöglich, eine Vorrichtung mit
magnetoresistivem Effekt zu erhalten, die ein stabiles magnetisches
Verhalten aufweist.
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Bei
den Ausführungsformen
1 und 2 ist Co-Oxid als "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 verwendet worden.
Es ist jedoch nicht notwendig, die "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 auf das Co-Oxid
zu beschränken.
Da nämlich
Ni und Fe wie Co ferromagnetische Materialien sind, würden die
Oxide dieser Materialien Eigenschaften aufweisen, die jenen des
Co-Oxids ähnlich
sind.
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Bei
den Ausführungsformen
1 und 2 wurden Sandwichschichten der Co-Oxiddünnschicht/Co/Cu/NiFe-Struktur
und der Co-Oxiddünnschicht/Co/Cu/Co/Cu-Struktur
verwendet. Da bei diesen Strukturen die magnetostatische Kopplung
zwischen der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung und
der Lage 2 mit freier Magnetisierung geschwächt ist,
erhöht
sich die Empfindlichkeit der Dünnschicht.
Außerdem
ist die Koerzitivkraft der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung
durch die Struktur der mehrlagigen Dünnschicht, die aus der "nichtmagnetischen" Metalloxidlage 5 und
der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung gebildet ist,
sowie durch die Bedingungen bei der Ablagerung der Dünnschicht
bestimmt. Folglich werden gleichartige Wirkungen durch Sandwich-Dünnschichten
anderer Struktur erzielt. Um die Magnetisierung der Lage 4 mit
festgehaltener Magnetisierung zu fixieren wird nämlich eine Dünnschicht
ausgebildet, indem dasselbe Material, das für die Lage 4 mit festgehaltener
Magnetisierung verwendet wird, oxidiert wird, bis das Material "nichtmagnetisch" wird, d. h. die
Magnetisierung und die Koerzitivkraft null werden. Dann ist die
Dünnschicht
unmittelbar an der Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung
abgelagert, so dass die mehrlagige Schicht von dieser Dünnschicht gebildet
wird und die Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung bei Raumtemperatur
eine Koerzitivkraft von nicht weniger als 20000 A/m (250 Oe) aufweist.
Als Ergebnis wird eine Sandwich-Dünnschicht mit einer hohen Empfindlichkeit
und einem starken Sättigungsfeld
erhalten.
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Folglich
kann selbst dann, wenn die Sandwichschicht in dem Magnetkopf oder
dem Magnetsensor eingesetzt wird, eine zweckmäßige Vorrichtung geschaffen
werden.
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Außerdem wird,
obwohl es nicht notwendig ist, dasselbe Material sowohl für die "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 als
auch für
die Lage 4 mit festgehaltener Magnetisierung zu verwenden,
bevorzugt, für
ein Katodenzerstäubungstarget
dasselbe Material zu gebrauchen. Der Grund dafür ist folgender: Wenn unterschiedliche
Materialien für
die Bildung der Lagen 4 und 5 verwendet werden,
ist es erforderlich, dass die Vorrichtung zur Ablagerung der Schichten
Katodenzerstäubungstargets
enthält,
die aus den entsprechenden Materialien hergestellt sind. Es ist
nämlich
möglich,
durch Verwenden desselben Materials zur Bildung der Schichten 4 und 5 die
Kosten zu senken.
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Zudem
ist bei den Ausführungsformen
1 und 2 die Lage mit freier Magnetisierung aus Co oder NiFe gebildet,
während
die Lage mit festgehaltener Magnetisierung aus Co gebildet ist.
Da diese Metalle problemlos erhältlich
sind, ist es möglich,
Vorrichtungen mit magnetoresistivem Effekt bei geringen Kosten herzustellen. Insbesondere,
wenn NiFe für
die Lage mit freier Magnetisierung verwendet wird, kann eine Vorrichtung
mit magnetoresistivem Effekt mit einer ausgezeichneten Empfindlichkeit
erzielt werden, da das NiFe in den magnetischen Eigenschaften weicher
als Co ist.
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Bei
den Ausführungsformen
1 und 2 ist die "nichtmagnetische" Metalloxidlage 5 auf
dem Substrat ausgebildet worden. Es ist jedoch möglich, eine Vorrichtung mit
magnetoresistivem Effekt zu bilden, indem Substrat/Lage mit freier
Magnetisierung/nichtmagnetische Lage/Lage mit festgehaltener Magnetisierung/nichtmagnetische
oxidationshemmende Lage in dieser Reihenfolge übereinandergeschichtet werden.
Die Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt dieser Ausführungsform
besitzt nämlich,
was die Struktur anbelangt, einen hohen Grad an Freiheit. Es ist
folglich möglich,
die strukturellen Beschränkungen
zu reduzieren, wenn die Vorrichtung mit magnetoresistivem Effekt
auf ein magnetisches Gerät
Anwendung findet.
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Außerdem wird
bei den Ausführungsformen
ein Glas- oder Si-Substrat als Substrat 1 verwendet. Es ist
jedoch überflüssig zu
erwähnen,
dass die gleiche Wirkung bei Verwendung von Substraten wie etwa
Aluminiumoxid-Substraten, i keramischen Substraten und Ferrit-Substraten
erzielt werden kann.
