DE69820524T2 - Magnetisches Element und Magnetkopf oder Speicherelement die dieses Element verwenden - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetisches Element, das einen Tunnelstrom verwendet, und einen Magnetkopf und ein Magnetspeicherelement, die beide jenes verwenden.
  • Der Magnetowiderstands- beziehungsweise Magnetoresistenzeffekt ist ein Phänomen, das den elektrischen Widerstand einer bestimmten Art von magnetischem Material durch Anlegen eines Magnetfeldes ändert. Ein Magnetowiderstandseffektelement (MR-Element), das den Magnetowiderstandseffekt ausnutzt, wird in einem Magnetkopf, einem magnetischen Sensor und dergleichen verwendet. Ferner wird ein Magnetowiderstandseffektspeicher oder dergleichen, der ein Magnetowiderstandseffektelement verwendet, vorgeschlagen. In einem solchen MR-Element sind eine hohe Empfindlichkeit gegenüber einem externen Magnetfeld, ein schnelleres Ansprechverhalten und dergleichen erforderlich.
  • Ein MR-Element, das ein ferromagnetisches Material verwendet, hat eine ausgezeichnete thermische Stabilität, und sein Anwendungstemperaturbereich ist groß. Als MR-Element, das ein ferromagnetisches Material verwendet, ist bisher ein dünner Film aus einer ferromagnetischen Legierung, zum Beispiel eine NiFe-Legierung, verwendet worden. Durch die Verwendung eines solchen MR-Elements als Lesekopf einer Festplatte usw. wird eine magnetische Aufzeichnung hoher Dichte erreicht. Ein MR-Element, das einen dünnen Film aus einer NiFe-Legierung verwendet, hat jedoch, da die Magnetowiderstandsänderungsrate (MR-Änderungsrate) nur 2 bis 3% beträgt, insofern ein Problem, als keine ausreichende Empfindlichkeit erreicht werden kann, wenn versucht wird, eine Aufzeichnung mit noch höherer Dichte zu erreichen.
  • Außerdem erregt in jüngster Zeit als neues Material, das den Magnetowiderstandseffekt aufweist, Aufmerksamkeit, nämlich ein künstlicher Gitterfilm, der abwechselnd als Stapel aus einer ferromagnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen Metallschicht mit einer Periode von wenigen Nanometern gestapelt ist, und zwar als Material, das einen Riesenmagnetowiderstandseffekt aufweist. Beispielsweise ist ein Magnetowiderstandseffektmaterial gefunden worden, in dem magnetische Momente ferromagnetischer Schichten, die mit einer nichtmagnetischen Schicht dazwischen, zum Beispiel ein künstlicher Gitterfilm aus Fe/Cr (Phys. Rev. Lett. 61, 2472(1988)) oder ein künstlicher Gitterfilm aus Co/Cu (J. Mag. Mag. Mater. 94, L1(1991), Phys. Rev. Lett. 66, 2152(1991)) gegenüberliegend angeordnet sind, in einem antiparallelen Zustand magnetisch gekoppelt werden.
  • Die oben beschriebenen künstlichen Gitterfilme weisen eine Magnetowiderstandseffektänderungsrate von mehreren zehn Prozent auf, die deutlich größer ist als die eines herkömmlichen Permalloy-Legierungsdünnfihns. Ein solcher Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR) wird durch Elektronenstreuung in Abhängigkeit von einer Richtung des Spins einer ferromagnetischen Schicht verursacht. Ein künstlicher Gitterfilm hat jedoch ein Problem, nämlich daß die Anzahl der gestapelten Schichten erhöht werden muß, um einen ausreichend großen Magnetowiderstandseffekt zu erreichen, oder aber ein Problem, nämlich daß die Anwendung auf einen Magnetkopf oder dergleichen an sich nicht möglich ist, da das Sättigungsmagnetfeld (Magnetfeld, bei dem der Widerstandswert gesättigt ist) immerhin mehrere Tesla (T) oder mehr beträgt.
  • Mit einem Ziel, nämlich ein Sättigungsmagnetfeld zu reduzieren, ist dabei ein Spinvalve-Film mit einem Laminatfilm aus einer Sandwichstruktur aus ferromagnetischer Schicht/nichtmagnetischer Schicht/ferromagnetischer Schicht entwickelt worden. In einem Spinvalve-Film erfolgt eine Austauschverschiebung (Exchange Bias) auf eine ferromagnetische Schicht, um deren Magnetisierung festzuhalten, die Magnetisierung der anderen ferromagnetischen Schicht wird in durch ein externes Magnetfeld umgekehrt. Der relative Winkel der Magnetisierungsrichtungen von zwei ferromagnetischen Schichten wird also verändert, um den Magnetowiderstandseffekt zu erreichen. Ein Spinvalve-Film hat jedoch keine ausreichende MR-Änderungsrate, und der Widerstand eines Laminatfilms selbst ist nur mehrere zehn μΩcm groß. Dadurch besteht ein Problem, nämlich daß ein relativ hoher elektrischer Strom erforderlich ist, um ein externes Magnetfeld zu detektieren.
  • Außerdem ist bekannt, daß ein sehr großer Magnetowiderstandseffekt erreicht wird, wenn ein sogenannter senkrechter Magnetowiderstandseffekt genutzt wird, bei dem ein elektrischer Strom durch einen magnetischen Mehrschichtfilm in einer Richtung senkrecht zu einer Filmebene geschickt wird (Phys. Rev. Lett. 66, 3060(1991)). In diesem Fall besteht jedoch folgendes Problem: Da der Weg des elektrischen Stroms kurz und der Widerstand klein ist, da jede Schicht aus Metall besteht, kann der Magnetowiderstandseffekt ohne genaue Bearbeitung im Submikronbereich oder darunter bei Raumtemperatur nicht gemessen werden.
  • Es ist auch bekannt, daß im Unterschied zu den oben beschriebenen Mehrschichtstrukturen ein sogenannter gekörnter Magnetfilm, bei dem ultrafeine magnetische Partikel in einer nichtmagnetischen Metallmatrix dispergiert sind, auf der Grundlage der spinabhängigen Leitung einen Riesenmagnetowiderstandseffekt aufweist (Phys. Rev. Lett. 68, 3745(1992)). Ein gekörnter Magnetfilm hat einen hohen Widerstand, wenn kein Magnetfeld angelegt wird, da der Spin jedes ultrafeinen magnetischen Partikels beliebig zueinander ausgerichtet ist, und der Widerstand verringert sich, wenn jeder Spin durch Anlegen eines Magnetfeldes in einer Richtung des Magnetfeldes ausgerichtet wird. Infolgedessen tritt ein Magnetowiderstandseffekt auf der Grundlage einer spinabhängigen Streuung auf. Da die Herstellung eines gekörnten Magnetfilms beispielsweise mit einem künstlichen Gitterfilm gut vergleichbar ist, wird dieser als Magnetowiderstandseffektelement der nächsten Generation erwartet. Da in einem herkömmlichen gekörnten Magnetfilm jedoch ultrafeine magnetische Partikel einen Superparamagnetismus aufweisen, besteht ein Problem, nämlich daß das Sättigungsmagnetfeld von sich aus sehr groß ist.
  • Außerdem ist ein Riesenmagnetowiderstandseffekt festgestellt worden, dessen Mechanismus sich von der oben beschriebenen spinabhängigen Streuung unterscheidet und der auf einem ferromagnetischen Tunneleffekt beruht. Dieser dient dazu, einen Tunnelstrom zu erzeugen, und zwar durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen beide ferromagnetische Schichten in einer Struktur, die aus einem Laminatfilm aus drei Schichten, nämlich ferromagnetische Schicht/Isolierschicht/ferromagnetische Schicht besteht, und in der die Koerzitivkraft der einen ferromagnetischen Schicht kleiner ist als die der anderen ferromagnetischen Schicht. Wenn nur der Spin der ferromagnetischen Schicht, der eine kleine Koerzitivkraft hat, umgekehhrt wird, dann kann dabei ein Riesenmagnetowiderstandseffekt erreicht werden, da sich ein elektrischer Tunnelstrom in Abhängigkeit davon, ob Spins zweier ferromagnetischer Schichten parallel oder antiparallel sind, stark unterscheidet.
  • Ein solches ferromagnetisches Tunnelübergangselement hat ein Merkmal, nämlich daß seine Struktur einfach ist und daß bei Raumtemperatur eine Magnetowiderstandsänderungsrate von immerhin 20% erreicht werden kann. Um jedoch den Tunneleffekt eintreten zu lassen, ist eine geringe Dicke einer Isolierschicht erforderlich, die kleiner ist als mehrere Nanometer. Da die stabile und homogene Herstellung einer solchen dünnen Isolierschicht schwierig ist, besteht die Tendenz, daß sich die Magnetowiderstandsänderungsrate stark ändert. Wenn der Widerstand einer Isolierschicht bei Verwendung derselben als Speicherelement zu hoch ist, treten die Probleme auf, daß das schnelle Ansprechverhalten des Elements nicht erreicht werden kann und das Rauschen sich erhöht, wobei das S/N-Verhältnis reduziert wird. Wenn ein elektrischer Strom, der durch ein ferromagnetisches Tunnelübergangselement geschickt wird, um eine gewünschte Ausgangsspannung zu erreichen, erhöht wird, verringert sich die Magnetowiderstandsänderungsrate drastisch, wobei ein Problem entsteht (Phys. Rev. Lett. 74, 3273(1995)).
  • Wie oben beschrieben, kann ein gekörnter Magnetfilm, bei dem ultrafeine magnetische Partikel in einer Matrix dispergiert sind, im Vergleich zu einem künstlichen Gitterfilm leicht hergestellt werden, und seine Magnetowiderstandsänderungsrate, die immerhin etwa 10% beträgt, kann bei Raumtemperatur erreicht werden. Da die ultrafeinen Partikel kleine Partikeldurchmesser haben, die zum Beispiel mehrere zehn Angström betragen oder so klein sind, daß sie zu monomagnetischen Domänen werden, ist die Hysterese einer Magnetowiderstandskurve klein. Bei Verwendung als MR-Element wird daher erwartet, daß das Barkhausen-Rauschen gering ist. Wegen des Superparamagnetismus der herkömmlichen ultrafeinen Partikel ist jedoch die Sättigungsmagnetisierung von sich aus sehr groß, was bei der Umsetzung in die Praxis zu einem Problem führt.
  • Außerdem weist ein ferromagnetisches Tunnelübergangselement eine Magnetowiderstandsänderungsrate, die bei Raumtemperatur immerhin etwa 20% beträgt, und ein kleines magnetisches Sättigungsfeld auf, aber es besteht ein Problem, nämlich daß die Herstellung eines Elements mit stabilen Eigenschaften wegen eines sehr dünnen Films, nämlich einer Isolierschicht, schwierig ist. Wenn ein elektrischer Strom, der durch ein ferromagnetisches Tunnelübergangselement geschickt wird, erhöht wird, um einen gewünschten Ausgangsspannungswert zu erreichen, entsteht außerdem ein Problem, nämlich daß sich die MR-Änderungsrate drastisch verringert.
  • Ein Artikel im Journal of Applied Physics, Vol. 81, Nr. 8, Teil 0213,15. April 1997, S. 5508 XP000701273 von Schelp et al. mit dem Titel "Spin-dependent tunnelling between ferromagnetic metals in a new type of tunnel junction" offenbart Tunnelübergange mit ferromagnetischen Elektroden (Co oder Permalloy), die durch eine 15 nm dicke Al2O3-Schicht getrennt sind, in Co-Cluster eingebettet sind.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein magnetisches Element bereitzustellen, dessen Magnetowiderstandsänderungsrate groß ist, dessen magnetisches Sättigungsfeld klein ist, dessen Elementwiderstand auf einen angemessenen Wert gesteuert werden kann und das in der Lage ist, stabile Eigenschaften zu erreichen, deren Schwankung gering ist. Ferner wird ein magnetisches Element bereitgestellt, das seine Magnetowiderstandsänderungsrate wenig verringert, wenn ein elektrischer Strom, der durch das Element geschickt wird (oder eine Spannung), erhöht wird, um einen gewünschten Ausgangsspannungswert (oder elektrischen Stromwert) zu erreichen. Die andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Magnetkopf und ein magnetisches Speicherelement bereitzustellen, deren Eigenschaften und deren Zuverlässigkeit durch die Verwendung eines solchen magnetischen Elements verbessert werden.
  • Unter einem ersten Aspekt stellt die Erfinudung ein magnetisches Element bereit, mit einem gekörnten Magnetfilm mit einer dielektrischen Matrix und feinen ferromagnetischen Partikeln, die in der dielektrischen Matrix dispergiert sind, und das bei Raumtemperatur eine Koerzitivkraft ausweist; und mit einem ferromagnetischen Film, der angrenzend an den gekörnten Magnetfilm angeordnet ist, um einen ferromagnetischen Übergang mit dem gekörnten Magnetfilm zu bilden.
  • Ein magnetisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt einen Magnetowiderstandseffekt, der auftritt, wenn die Richtung des Spins beispielsweise eines Magnetfilms mit einer geringeren Koerzitivkraft im Vergleich zwischen einem gekörnten Magnetfilm und einem ferromagnetischen Film geändert wird. In einem magnetischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein ferromagnetischer Film aus einem ferromagnetischen Material bestehen, das durch ein nichtmagnetisches Material in eine Vielzahl ferromagnetischer Bereiche getrennt ist, um die gegenseitigen Wechselbeziehungen zwischen magnetischen Partikeln in dem ferromagnetischen Film abzuschwächen.
  • Als spezifische Verteilungsstrukturen aus einem gekörnten Magnetfilm und einem ferromagnetischen File kann eine Struktur, bei der ein gekörnter Magnetfilm und ein ferromagnetischer Film gestapelt sind, eine Struktur, bei der ein gekörnter Magnetfilm und ein ferromagnetischer Film entlang einer Substratoberfläche angeordnet sind, oder dergleichen angeführt werden. Obwohl grundsätzlich ein gekörnter magnetischer Film und ein ferromagnetischer Film in Kontakt miteinander angeordnet sein sollten, kann ferner, anders als der gekörnte Magnetfilm, ein Isolierfilm mit einer solchen Dicke, daß ein Tunnelstrom zwischen einem gekörnten Magnetfilm und einem ferromagnetischen Film fließen kann, zwischen diesen angeordnet sein.
  • Unter einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Magnetkopf mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen magnetischen Element und einer Elektrode bereit, die mit dem magnetischen Element gekoppelt ist. Unter einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Magnetspeicherelement mit dem oben beschriebenen magnetischen Element, einer ersten Elektrode, die dem magnetischen Element ein durch einen elektrischen Strom bedingtes Magnetfeld verleiht, und einer zweiten Elektrode bereit, die mit dem magnetischen Element gekoppelt ist.
  • Nachstehend wird ein Prinzip eines erfindungsgemäßen magnetischen Elements beschrieben, das bei geringerem magnetischem Feld einen Riesenmagnetowiderstandseffekt hat.
  • 1A, 1B, 2A und 2B sind Konzeptdarstellungen grundsätzlicher Strukturen eines magnetischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesen Figuren bilden ein ferromagnetischer Film F und ein gekörnter magnetischer Film G einen ferromagnetischen Tunnelübergang. Linien mit einem Pfeil in den Figuren zeigen Magnetisierungsrichtungen an. Hier hat der gekörnte magnetische Film G in dem magnetischen Film gemäß der vorliegenden Erfindung feine ferromagnetische Parikel, die in einer dielektrischen Matrix dispergiert sind. Ein gekörnter magnetischer Film G besteht aus einem ferromagnetischen Material mit einer Koerzitivkraft mit einem endlichen Wert und weist keinen Superparamagnetismus auf.
  • Im Idealfall sind die Spins der feinen ferromagnetischen Partikel, wie sie in 1A, 1B, 2A und 2B gezeigt sind, wie erwünscht in einer Richtung ausgerichtet. Die Richtung des Spins kann irgendeinem der Zustände entsprechen, die in 1A und 1B, 2A und 2B gezeigt sind. Ferner sind feine ferromagnetische Partikel vorzugsweise in einer Schicht angeordnet.
  • Wenn in einer solchen Struktur eine Spannung zwischen einem ferromagnetischen Film F und einem gekörnten magnetischen Film G beispielsweise durch eine Elektrode angelegt wird, leiten Leitungselektronen des ferromagnetischen Films F aufgrund des Tunneleffekts zwischen feinen ferromagnetischen Partikeln im gekörnten magnetischen Film G, um einen Tunnelstrom zu induzieren. Hier bleiben die Richtungen der Spins erhalten. Hier wollen wir nun unter diesen Umständen ein externes Magnetfeld anlegen.
  • In einem Anfangszustand, wie in 1A und 2A gezeigt, sind die Spins beider magnetischer Filme F und G in den gleichen Richtungen ausgerichtet. Während die Spins des ferromagnetischen Films F und des gekörnten magnetischen Films G erhalten bleiben, tritt Tunnelleitung auf. Wie in 3A gezeigt, tragen daher die Elektronen des Spinbandes, das eine hohe Zustandsdichte hat (Spinelektronen, die durch ↓ in 3A dargestellt sind), in hohem Maß zur Leitung bei, und die Elektronen neigen zur Tunnelung. Das heißt, der Widerstand ist klein.
  • Als nächstes wird ein externes Magnetfeld bereitgestellt, das eine solch geringe Stärke hat, daß lediglich der Spin (die Spins der ferromagnetischen Filme F in 1B und 2B, ebenso bei den folgenden) des magnetischen Films mit einer relativ geringen Koerzitivkraft im Vergleich zwischen den beiden magnetischen Filmen F, G umgekehrt werden. Da, wie in 3 gezeigt, beide Spinbänder der jeweiligen magnetischen Filme F, G in einem Spinband sind, das eine geringe Zustandsdichte hat, sind in diesem Fall die Elektronen im Vergleich zu 3A schwer zu tunneln. Deshalb wird der Widerstand groß.
  • Allein wenn der Spin eines magnetischen Films, dessen Koerzitivkraft klein ist, durch ein externes Magnetfeld umgekehrt wird, kann ein Riesenmagnetowiderstand erreicht werden. Wenn ein weichmagnetisches Material, das beispielsweise eine geringe Koerzitivkraft hat, als ferromagnetischer Film F gewählt wird, kann das Sättigungsmagnetfeld verringert werden. Daher kann ein Magnetowiderstandseffektelement, das in einem magnetischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, seine Empfindlichkeit erhöhen.
  • Ein gekörnter magnetischer Film gemäß der vorliegenden Erfindung, der aus nichtsuperparamagnetischem und ferromagnetischem Material besteht, hat kein Problem, wenn das Sättigungsmagnetfeld groß ist, wie bei einem herkömmlichen gekörnten GMR-Material. Ein gekörnter magnetischer Film gemäß der vorliegenden Erfindung hat wegen der Dispersion der feinen ferromagnetischen Partikel in einer dielektrischen Matrix einen kleinen elektrischen Widerstand im Vergleich zu einem ferromagnetischen Tunnelübergang mit einer Isolierschicht. durch Steuerung einer Länge der elektrischen Stromwegrichtung (Filmdickenrichtung oder in der Ebene liegenden Richtung) des gekörnten magnetischen Films oder durch Steuerung der Volumenpackungsrate, Größe, des Dispersionszustands oder dergleichen der feinen ferromagnetischen Partikel kann der elektrische Widerstand auf einen angemessenen Wert gehalten werden. Entsprechend seinen Anwendungen kann daher der elektrische Widerstand eines magnetischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert werden.
  • Wenn in einem ferromagnetischen Tunnelübergangselement ein elektrischer Strom (oder eine Spannung), der zu dem Element fließt, erhöht wird, um einen gewünschten Ausgangsspannungswert (oder einen elektrischen Stromwert) durch die Weiterleitung einer Spinwelle mit einer langen Wellenlänge (abweichende Zustände des Spins an jedem Gitterpunkt breiten sich wie eine Welle aus: Magnon) in einem ferromagnetischen Film und zwischen ferromagnetischen Filmen zu erreichen, dann geht man ferner davon aus, daß sich die Magnetowiderstandsänderungsrate verringert. Wenn ein ferromagnetischer Film, der angrenzend an einen gekörnten magnetischen Film angeordnet ist, in Teile getrennt wird, kann die Ausbreitung des Magnons verhindert werden. Auch wenn ein Abtaststrom erhöht wird, wird dadurch verhindert, daß sich die Magnetowiderstandsänderungsrate verringert, was zu einer hohen Ausgangsspannung führt.
  • Ein ferromagnetischer Film, der durch nichtmagnetisches Material in Teile getrennt ist, wirkt sich außerdem auch auf ein herkömmliches ferromagnetisches Tunnelübergangselement aus. Ein weiteres magnetisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung in einem ferromagnetischen Tunnelübergangselement mit einem Laminatfilm mit einer Filmstruktur aus ferromagnetischem Film/Isolierschicht/ferromagnetischem Film wird gebildet, indem mindestens ein ferromagnetischer Film durch ein nichtmagnetisches Material in Teile getrennt.
  • Ein magnetisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einem Magnetkopf mit Magnetowiderstandseffekt, einem Magnetfeldsensor, einem magnetischen Speicherelement usw. Anwendung finden. In diesem Fall ist es insbesondere bei einem magnetischen Speicherelement erwünscht, eine in einer Ebene liegende magnetische Anisotropie zu haben.
  • 1A und 1B sind Konzeptdarstellungen einer primären Struktur eines magnetischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2A und 2B sind weitere Konzeptdarstellungen einer prmären Struktur eines magnetischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 3A und 3B sind Darstellungen, die eine Manifestation des Magnetowiderstandseffekts in einem magnetischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung erläutern.
  • 4 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine wesentliche Struktur einer ersten Ausführungsform eines magnetischen Elements vom Laminattyp zeigt, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 5 ist eine Schnittansicht, die eine wesentliche Struktur einer zweiten Ausführung eines magnetischen Elements vom Laminattyp zeigt, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 6 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Strukturbeispiel zeigt, bei dem ein Vormagnetisierungsfeld an ein magnetisches Element vom Laminattyp gemäß der vorliegenden Erfindung angelegt wird.
  • 7 ist eine Schnittansicht, die schematisch das andere Strukturbeispiel zeigt, bei dem ein Vormagnetisierungsfeld an ein magnetisches Element vom Laminattyp gemäß der vorliegenden Erfindung angelegt wird.
  • 8 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Modifikationsbeispiel eines ferromagnetischen Films in einem magnetischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Modifikationsbeispiel des in 8 gezeigten magnetischen Elements zeigt.
  • 10 ist ein Diagramm, das schematisch eine wesentliche Struktur einer dritten Ausführungsform eines magnetischen Elements vom Laminattyp zeigt, das die vorliegende Erfindung verwendet.
  • 11 ist ein Diagramm, das schematisch eine wesentliche Struktur einer vierten Ausführungsform eines magnetischen Elements vom Laminattyp zeigt, das die vorliegende Erfindung verwendet.
  • 12 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel einer spezifischen Elementstruktur eines magnetischen Elements vom Laminattyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 13 ist eine Schnittansicht, die ein magnetisches Element vom Laminattyp zeigt, das in 12 gezeigt ist.
  • 14 ist eine Schnittansicht, die eine wesentliche Struktur einer fünften Ausführungsform eines magnetischen Elements vom Laminattyp zeigt, das die vorliegende Erfindung verwendet.
  • 15 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine wesentliche Struktur eines Modifikationsbeispiels eines magnetischen Elements vom Laminattyp zeigt, das in 14 gezeigt ist.
  • 16 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine wesentliche Struktur einer ersten Ausführungsfonn eines magnetischen Elements vom planaren Typ zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird.
  • 17 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine wesentliche Struktur eines Modifikationsbeispiels eines magnetischen Elements vom planaren Typ zeigt, das in 16 gezeigt ist.
  • 18 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine wesentliche Struktur einer zweiten Ausführungsform eines magnetischen Elements vom planaren Typ zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird.
  • 19 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine wesentliche Struktur eines Beispiels zeigt, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
  • 20 ist eine Schnittansicht, die schematisch einen Zustand zeigt, bei dem ein antiferromagnetischer Film einem magnetischen Element hinzugefügt wird, das in 19 gezeigt ist.
  • 21 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine wesentliche Struktur eines Modifikationsbeispiels eines magnetischen Elements zeigt, das in 19 gezeigt ist.
  • 22 ist ein Diagramm, das die Meßergebnisse einer Magnetisierungskurve eines magnetischen Elements gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung Zeigt.
  • 23 ist ein Diagramm, das die Meßergebnisse des Magnetowiderstandseffekts eines magnetischen Elements gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 24 ist ein Diagramm, das Meßergebnisse einer Magnetisierungskurve eines magnetischen Elements gemäß einem Vergleichsbeispiel 1 zeigt.
  • 25 ist ein Diagramm, das Meßergebnisse einer Vorspannungsabhängigkeit einer Tunnelmagnetowiderstandsänderungsrate eines magnetischen Elements gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 26 ist ein Diagramm, das Meßergebnisse einer Vorspannungsabhängigkeit einer Tunnelmagnetowiderstandsänderungsrate eines magnetischen Elements gemäß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 27 ist ein Diagramm, das Meßergebnisse einer Vorspannungsabhängigkeit einer Tunnelmagnetowiderstandsänderungsrate eines magnetischen Elements gemäß einer Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 28 ist ein Diagramm, das Meßergebnisse einer Vorspannungsabhängigkeit einer Tunnelmagnetowiderstandsänderungsrate eines magnetischen Elements gemäß einem Beispiel 7 zeigt.
  • 29 ist ein Diagramm, das Meßergebnisse einer Vorspannungsabhängigkeit einer Tunnelmagnetowiderstandsänderungsrate eines magnetischen Elements gemäß einer Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Nachstehend werden bestimmte Ausführungsformen zur Implementierung der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
  • 4 ist ein Diagramm, das schematisch eine wesentliche Struktur einer ersten Ausführungsform eines magnetischen Elements der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein magnetisches Element, das in 4 gezeigt ist, umfaßt einen gekörnten magnetischen Film 3, der auf einem Substrat 2 ausgebildet ist, und einen ferromagnetischen Film 4, der auf dem gekörnten magnetischen Film 3 aufgestapelt ist. Ein Laminatfilm 5, der aus einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem ferromagnetischen Film 4 aufeinandergestapelt ist, bildet einen ferromagnetischen Tunnelübergang. In einem Laminatfilm 5 ist die Reihenfolge der Stapelung eines gekörnten magnetischen Films 3 und eines ferromagnetischen Films 4 nicht auf eine bestimmte Stapelung beschränkt.
  • 5 ist ein Diagamm, das schematisch eine wesentliche Struktur einer zweiten Ausführungsform eines magnetischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein magnetisches Element 1, das in 5 gezeigt ist, hat eine Struktur, bei der ein gekörnter magnetischer Film 3 zwischen zwei Schichten von ferromagnetischen Filmen 4a, 4b angeordnet ist. Das heißt, ein erster ferromagnetischer Film 4a und ein zweiter ferromagnetischer Film 4b sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei ein gekörnter magnetischer Film 3 zwischen ihnen angeordnet ist. Ein Laminatfilm 5 mit dieser Dreischichtstruktur bildet einen ferromagnetischen Tunnelübergang.
  • Ein magnetisches Element vom Laminattyp 1 kann nur einen Laminatfilm 5 haben, der aus mindestens einer Schicht eines gekörnten magnetischen Films 3 und mindestens einer Schicht eines ferromagnetischen Films 4 gestapelt ist. Auf ein magnetisches Element 1 vom Laminattyp kann ein Laminatfilm, der ferner mehrfach gestapelt ist und aus einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem ferromagnetischen Film 4 besteht, aufgebracht sein. Zwischen einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem ferromagnetischen Film 4 kann ein Isolierfilm mit einer Dicke, durch die der Tunnelstrom fließen kann, angeordnet sein, und mit diesem Isolierfilm kann der elektrische Widerstand gesteuert werden.
  • Ein gekörnter magnetischer Film 3 bat eine Struktur, bei der feine ferromagnetische Partikel 7 in einer dielektrischen Matrix 6 dispergiert sind. Dieser gekörnte magnetische Film 3 weist keinen Superparamagnetismus auf und besteht aus einem ferromagnetischen Material mit einer endlichen Koerzitivkraft. Die feinen ferromagnetischen Partikel 7 im gekörnten magnetischen Film 3 müssen in der dielektrischen Matrix 6 dispergiert sein, damit ein Tunnelstrom zwischen diesen feinen Partikeln fließen kann. Der Abstand zwischen den feinen ferromagnetischen Partikeln 7 ist also vorzugsweise 3 nm oder kleiner. Der Partikeldurchmesser der feinen ferromagnetischen Partikel 7 muß eine Größe von beispielsweise mehreren Nanometern oder mehr haben, die keinen Superparamagnetismus aufweist und den ferromagnetismus beibehalten kann. Da jedoch, wenn ferromagnetische Partikel 7 zu groß sind, der Abstand zwischen den Partikeln zunimmt, sind die Partikeldurchmesser der feinen ferromagnetischen Partikel vorzugsweise im Bereich von etwa 5 bis 10 nm.
  • Außerdem wird bevorzugt, daß die feinen ferromagnetischen Partikel 7 in der dielektrischen Matrix 6 in Schichten dispergiert sind. Durch Anordnung der feinen ferromagnetischen Partikel 7 in Schichten kann der elektrische Tunnelstrom, der zwischen dem gekörnten magnetischen Film 3 und dem ferromagnetischen Film 4 fließt, homogen gemacht werden, was aufgrund des Magnetowiderstandseffekts zu einer Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Widerstandsänderung führt.
  • Für die feinen ferromagnetischen Partikel 7 können verschiedene Arten von ferromagnetischen Materialien verwendet werden. Da in einem gekörnten ferromagnetischen Material, in dem feine ferromagnetische Partikel 7 in einer dielektrischen Matrix 6 dispergiert sind, die Koerzitivkraft im Vergleich zu einem Rohmaterial ziemlich gering ist, werden, um dies zu verhindern, bevorzugt Co, Co-Pt-Legierung, Fe-Pt-Legierung, Übergangsmetall-Seltenerdlegierung oder dergleichen verwendet, deren magnetische Anisotropie in ihrer Form als feine ferromagnetische Partikel 7 groß ist. Wenn ein gekörnter magnetischer Film 3 zu einer magnetisch festgehaltenen Schicht gemacht wird, wird besonders bevorzugt, diese ferromagnetischen Materialien zu verwenden.
  • Wenn ein gekörnter magnetischer Film 3 als weichmagnetische Schicht verwendet wird, ist das Material, aus dem die feinen ferromagnetischen Partikel bestehen, nicht besonders eingeschränkt, sondern es können Fe, Co, Ni und Legierungen daraus, auf Oxiden beruhende magnetische Partikel, zum Beispiel Magnetit, CrO2, RXMnO3-y, (R: Seltenerdmetall, X: mindestens eine Art eines Elements, das aus Ca, Ba und Sr gewählt ist, y ist ein Wert nahe null) und dergleichen, die hohe Spinpolarisierbarkeiten haben, Heuslersche Legierungen, zum Beispiel NiMnSb, PtMnSb, verwendet werden.
  • Wenn ein gekörntes magnetisches Material verwendet wird, das keine so große Koerzitivkraft hat, wie beispielsweise in 6 gezeigt, können auf beiden Randabschnitten eines gekörnten magnetischen Films 3 ein Paar hartmagnetische Filme 8 benachbart angeordnet sein, und ein Vormagnetisierungsfeld kann aus diesen hartmagnetischen Filmen 8 an einen gekörnten magnetischen Film 3 angelegt werden, um dessen Spin festzuhalten. In 6 ist das Bezugszeichen 9 eine Isolierschicht.
  • Mindestens einer der Filme 4, 4 in 6 kann ein ferromagnetischer Film sein. Wenn nur eine Seite ein ferromagnetischer Film ist, kann daher die andere Seite eine Elektrode sein, die aus einem nichtmagnetischen Metall, zum Beispiel Cr, besteht. Als Vormagnetisierungsfilm kann, ohne auf hartmagnetische Filme 8 beschränkt zu sein, wie beispielsweise in 7 gezeigt, ein antiferromagnetischer Film 10 verwendet werden, der mit einem gekörnten magnetischen Film 3 gestapelt ist. Als antiferromagnetischer Film 10 kann eine antiferromagnetische Legierung, zum Beispiel FeMn, IrMn, PtMn, NiMn und dergleichen, und ein antiferromagnetisches Material, zum Beispiel NiO, Fe2O3 und dergleichen, verwendet werden. Außerdem kann ein antiferromagnetischer Austauschkoppelfilm, zum Beispiel Co/Ru/Co, Co/Au/Co, als Vormagnetisierungsfilm verwendet werden.
  • Ein gekörntes magnetisches Material, in dem RXMnO3-y-Partikel dispergiert sind, hat eine geringe Koerzitivkraft, aber eine Spinpolarisierbarkeit von 100%. Wenn magnetisches RXMnO3-y -Material in Form von feinen ferromagnetischen Partikeln 7 verwendet wird, kann ein sehr hoher Magnetowiderstandseffekt erreicht werden, da die Spinabhängigkeit des elektrischen Tunnelstroms sehr groß wird. Wenn ein solches gekörntes magnetisches Material verwendet wird, sind die oben beschriebenen Vormagnetisierungsstrukturen effektiv. Wenn der Spin nur im ferromagnetischen Film 4 umgekehrt wird, dann ist, um den Spin des gekörnten magnetischen Films 3 kräftig festzuhalten, ein Vormagnetisierungsfilm effektiv, der aus einem hartmagnetischen Film 8 oder einem antiferromagnetischen Film 10 besteht.
  • Als dielektrische Matrix 6 können verschiedene dielektrische Materialien, zum Beispiel Al2O3, SiO2, MgO, MgF2, B2O3, AlN, CaF2, SrTiO3 usw., verwendet werden. Durch Dispergierung der oben beschriebenen feinen ferromagnetischen Partikel 7 in einem solchen Film aus dielektrischem Material kann ein gekörnter magnetischer Film 3, der keinen Superparamagnetismus aufweist, hergestellt werden. Obwohl ferner in den oben beschriebenen Oxidfilmen, Nitridfilmen, Fluoridfilmen und dergleichen im allgemeinen Defekte entsprechender Elemente vorhanden sind, verursachen diese dielektrischen Filme kein Problem.
  • Außerdem kann ein ferromagnetischer Film 4 von seiner Zielsetzung her nur ein große oder eine geringe Beziehung zu einem gekörnten magnetischen Film 3 haben. Als ferromagnetischer Film 4 können verschiedene Arten von ferromagnetischen Materialien verwendet werden, die von verschiedenen Arten von weichmagnetischen Materialien, zum Beispiel eine Fe-Ni-Legierung, die durch ein Permalloy dargestellt wird, Fe, Co, Ni und Legierungen, die diese enthalten und die alle ferromagnetismus aufweisen, Halbmetallen aus Heuslerschen Legierungen, zum Beispiel NiMnSb, PtMnSb und dergleichen, auf Oxiden beruhenden Halbmetallen, zum Beispiel CrO2, Magnetit, (La,Sr)MnO3 und dergleichen, amorphen Legierungen und dergleichen bis zu hartmagnetischen Materialien, zum Beispiel eine Co-Pt-Legierung, eine Fe-Pt-Legierung, eine Übergangsmetall-Seltenerdlegierung, reichen. Da in einem Halbmetall eine Energielücke in einem Spinband vorhanden ist, tragen nur Elektroden mit Spins in einer Richtung zur Leitung bei. Durch Verwendung eines solchen Materials als ferromagnetischer Film 4 kann daher ein großer Magnetowiderstandseffekt erreicht werden.
  • Wenn, wie in 5 gezeigt, ferromagnetische Filme 4a, 4b aus zwei Schichten oder mehr verwendet werden, müssen sie notwendigerweise aus dem gleichen Material bestehen, können jedoch nur eine Koerzitivkraftdifferenz in bezug auf den gekörnten magnetischen Film 3 haben. Wenn sich ferner zwei Schichten von ferromagnetischen Filmen 4a, 4b in ihren Koerzitivkräften unterscheiden, können sie beispielsweise als mehrstufiger Speicher verwendet werden.
  • Ein ferromagnetischer Film 4 ist nicht auf einen einschichtigen Film beschränkt. Ein ferromagnetischer Film 4, wie beispielsweise in 8 gezeigt, kann aus einem Laminatfilm bestehen, der zwei Schichten, nämlich die ferromagnetischen Schichten 12, 13 hat, die durch eine nichtmagnetische Schicht 11 getrennt angeordnet sind und bei denen diese ferromagnetischen Schichten 12, 13 derartig magnetisch gekoppelt sind, daß sie antiparallel zueinander ausgerichtet werden. Da bei einem Laminatfilm, der auf diese antiparallele Weise gekoppelt ist, verhindert werden kann, daß der magnetische Fluß aus einem ferromagnetischen Film 4 nach außen entweicht, kann man sagen, daß diese Struktur eine bevorzugte Struktur ist. Um ferromagnetische Schichten 12, 13 herzustellen, die antiparallel gekoppelt sind, können eine ferromagnetische Schicht und eine nichtmagnetische Schicht alternativ gestapelt werden, um den Vorteil einer Austauschkupplung oder einer ferromagnetischen Kupplung zu nutzen. Die Anzahl von gestapelten ferromagnetischen Schichten ist nicht auf zwei Schichten begrenzt, sondern es können weitere Schichten durch entsprechende nichtmagnetische Schichten getrennt gestapelt werden.
  • Außerdem kann ein Laminatfilm, bei dem abwechselnd eine ferromagnetische Schicht und eine Halbleiterschicht gestapelt sind, als ferromagnetischer Film 4 verwendet werden. Da deren Spin in diesem Fall durch Wärme oder Lichteinstrahlung umgekehrt werden kann, ist kein Magnetfeld erforderlich. Als Halbleiter, der für einen solchen Laminatfilm verwendet werden kann, kann eine FeSi-Legierung mit einer B20-Struktur angeführt werden. Hier kann ein Laminatfilm, bei dem abwechselnd eine ferromagnetische Schicht und eine nichtmagnetische Schicht gestapelt sind, oder ein Laminatfilm, bei dem abwechselnd eine ferromagnetische Schicht und eine Halbleiterschicht gestapelt sind, wie in 9 gezeigt, auf eine von zwei ferromagnetischen Schichten aufgebracht werden, die durch einen gekörnten magnetischen Film 3 getrennt angeordnet ist.
  • Der oben beschriebene gekörnte magnetische Film 3 und der ferromagnetische Film 4 haben vorzugsweise in entsprechenden Filmebenen eine uniaxiale magnetische Anisotropie. Dadurch kann neben einer steilen magnetischen Umkehrung, die möglich ist, sein Magnetisierungszustand stabil gehalten werden. Diese sind besonders effektiv, wenn sie in einem magnetischen Speicherelement verwendet werden. Die Filmdicken des gekörnten magnetischen Films 3 und des ferromagnetischen Films 4 liegen vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 100 nm. Obwohl erwünscht ist, daß die Filmdicke des gekörnten magnetischen Films 3 so dünn wie möglich ist, kann es sich dabei jedoch um eine solche Filmdicke handeln, bei der während der Herstellung eine gleichmäßige Dicke erhalten bleibt und die den elektrischen Tunnelstrom nicht ungünstig beeinflußt. Die Filmdicke des gekörnten magnetischen Films 3 ist ferner vorzugsweise 50 nm oder kleiner.
  • Ein magnetisches Element 1, das aus diesen jeweiligen Schichten besteht, ist normalerweise ein dünner Film, für dessen Herstellung ein herkömmliches Dünnfilmherstellungsverfahren, zum Beispiel ein Molekularstrahlepitaxie-(MBE-)Verfahren, verschiedene Arten von Kathodenzerstäubungsverfahren, Vakuumbedampfungsverfahren und dergleichen, verwendet werden können. Ein gekörnter magnetischer Film 3 kann hergestellt werden, indem Filme aus einem dielektrischen Material, das eine dielektrische Matrix 6 bildet, und einem ferromagnetischen Material, das dazu bestimmt ist, feine ferromagnetische Partikel 7 zu bilden gleichzeitig ausgebildet werden (simultane Kathodenzerstäubung beispielsweise) oder indem Filme abwechselnd aus einem dielektrischen Material und einem ferromagnetischen Material ausgebildet werden. Da bei einer alternativen Filmherstellung die Benetzung eines ferromagnetischen Materials mit dielektrischem Material schlecht ist, können durch Steuerung ihrer Akkumulation Partikel ausgebildet werden. Bei einem solchen Filmherstellungsverfahren werden feine ferromagnetische Partikel 7 gleichmäßig in Schichten angeordnet. Außerdem kann in einem magnetischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung eine Unterschicht, die aus einem magnetischen Material oder einem nichtmagnetischen Material besteht, oder eine Überzugsschicht, die aus einem nichtmagnetischen Material besteht, auf einen Laminatfilm 5 aufgebracht werden.
  • In dem oben beschriebenen magnetischen Element 1 wird bewirkt, daß durch Änderung der Richtung des Spins des magnetischen Films mit einer geringen Koerzitivkraft im Vergleich zwischen einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem ferromagnetischen Film 4 mittels eines externen Magnetfeldes ein ferromagnetischer Film 4 zum Beispiel ein Magnetowiderstandseffekt auftreten kann, wie oben beschrieben. Das heißt, in einem Zustand, wo die Spins sowohl eines gekörnten magnetischen Films 3 als auch eines ferromagnetischen Films 4 in der gleichen Richtung ausgerichtet sind, wird der Widerstand des Laminatfilms 5 minimal. Bei diesem Zustand wird durch Umkehrung der Spinrichtung nur eines magnetischen Films, der eine kleinere Koerzitivkraft hat, mittels eines externen Magnetfeldes und dergleichen beispielsweise der Widerstand des Laminatfilms 5 maximal. In diesem Fall wird der Spin des anderen magnetischen Films, des gekörnten magnetischen Films 3 beispielsweise, im wesentlichen gegen ein externes Magnetfeld und dergleichen, das den Spin des ferromagnetischen Films 4 umkehrt, festgehalten.
  • durch Umkehrung des Spins eines magnetischen Films in einem Laminatfilm 5, der beispielsweise aus einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem ferromagnetischen Film 4 besteht, kann ein Riesemnagnetowiderstandseffekt bei einer MR-Änderungsrate von beispielsweise 20% oder mehr erreicht werden. Ein magnetischer Film, dessen Spin durch ein externes Magnetfeld oder dergleichen umgekehrt wird, kann ein magnetischer Film sein, dessen Koerzitivkraft im Vergleich zwischen einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem ferromagnetischen Film 4 kleiner ist, und ist nicht speziell auf einen ferromagnetischen Film 4 beschränkt. Ein magnetischer Film, dessen Spinrichtung umgekehrt wird, kann ein gekörnter magnetischer Film 3 sein. Die Spinrichtung des ferromagnetischen Films 4, dessen Koerzitivkraft leicht zu steuern ist, wird vorzugsweise durch ein externes Magnetfeld und dergleichen umgekehrt.
  • Wenn ein Meßstrom in einer Stapelrichtung zu einem Laminatfilm 5 geschickt wird, der einen Riesenmagnetowiderstandseffekt aufweist, fließt ein Tunnelstrom zwischen einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem ferromagnetischen Film 4. Wenn zwei Schichten eines ferromagnetischen Films verwendet werden, fließt ein Tunnelstrom zwischen einem ersten ferromagnetischen Film 4a, einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem zweiten ferromagnetischen Film 4b. Wenn die Spannung eines Meßstroms, einschließlich eines solchen Tunnelstroms, gemessen wird, kann ein externes Magnetfeld, zum Beispiel ein magnetisches Signalfeld, detektiert werden.
  • Diese Funktion, die ein externes Magnetfeld als identisch detektieren kann, wie ein herkömmliches MR-Element, kann für einen Magnetkopf oder einen magnetischen Sensor vom Magnetowiderstandseffekttyp verwendet werden. Wenn aus dem magnetischen Film, dessen Koerzitivkraft im Vergleich zwischen einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem ferromagnetischen Film 4 kleiner ist, eine Aufzeichnungsschicht gemacht wird und wenn aus dem anderen eine Schicht mit festgehaltenem Spin gemacht wird und die Magnetisierungsrichtung der Aufzeichnungsschicht durch einen identischen Meßstrom bewertet wird, können Daten in der Aufzeichnungsschicht gelesen werden. Diese kann als magnetisches Speicherelement genutzt werden.
  • Da in einem solchen magnetischen Speicherelement 1 ein gekörnter magnetischer Film 3 nicht superparamagnetisch, sondern ferromagnetisch ist, kann ein Problem gelöst werden, nämlich daß das Sättigungsmagnetfeld groß ist wie bei einem herkömmlichen gekörnten GMR-Material. Da ein weichmagnetisches Material, das eine geringe Koerzitivkraft hat, als ferromagnetischer Film 4 gewählt wird, wird außerdem das Sättigungsmagnetfeld kleiner gemacht, und ein magnetisches Element, das den Magnetowiderstandseffekt nutzt, kann empfindlicher gemacht werden.
  • Da in einem gekörnten magnetischen Film 3 feine ferromagnetische Partikel 7 in einer dielektrischen Matrix 6 dispergiert sind, ist der elektrische Widerstand klein im Vergleich zu einem herkömmlichen ferromagnetischen Tunnelübergang, der eine Isolierschicht hat. Ferner kann durch Steuerung der Länge der Stromwegrichtung (Filmdickenrichtung) des gekörnten magnetischen Films 3 oder des Volumenpackungsverhältnisses, der Größe, des Dispersionszustands der feinen ferromagnetischen Partikel 7 der elektrische Widerstandswert entsprechend gesteuert werden. Bei Verwendung in einem Speicherelement kann dadurch beispielsweise ein schnelles Ansprechverhalten des Elements oder eine Erhöhung des S/N-Verhältaisses erreicht werden.
  • Und der ferromagnetische Tunnelübergang (Laminatfilm 5), der den Magnetowiderstandseffekt manifestiert, bewirkt, daß der gekörnte magnetische Film 3 als Tunnelbarriere fungiert. Da der Tunnelstrom des Laminatfilms 5 auf den feinen ferromagnetischen Partikeln 7 in einem gekörnten magnetischen Film 3 mit einer finiten Koerzitivkraft beruht, muß der gekörnte magnetische Film 3 nicht so dünn ausgeführt werden wie eine Isolierschicht in einem herkömmlichen ferromagnetischen Tunnelübergang. Das heißt, da die Filmdicke des gekörnten magnetischen Films 3 in der Lage ist, eine Größenordnung zu erreichen, bei der während der Herstellung ein gleichförmiger Zustand erreicht werden kann, kann ein weniger schwankendes und ein stabiles Betriebsverhalten mit Reproduzierbarkeit erreicht werden.
  • 10 und 11 sind Diagramme, die schematisch wesentliche Abschnitte einer dritten und vierten Ausführungsform der magnetischen Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. In den magnetischen Elementen 14, die in diesen Figuren gezeigt sind, sind ferromagnetische Filme 4 (4a, 4b) in einer Filmebenenrichtung durch nichtmagnetisches Material 15 getrennt. Eine andere Beschaffenheit als diese ist identisch mit dem magnetischen Element 1, das in 4 und 5 gezeigt ist.
  • Als nichtmagnetisches Material 15, das den ferromagnetischen Film 4 teilt, können einzelne nichtmagnetische Elemente, zum Beispiel Ag, Cu, Au, Ta, B, C, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo, Nb und dergleichen, oder verschiedene Arten von nichtmagnetischen Materialien, die in der Lage sind, eine gegenseitige Austauschwechselwirkung zwischen magnetischen Materialien (magnetischen Partikeln) abzuschwächen, beispielsweise eine nichtmagnetische Legierung, eine nichtmagnetische Verbindung, ein nichtmagnetisches Oxid, verwendet werden. Außerdem kann die Dicke des nichtmagnetischen Materials 15 ebenfalls beispielsweise etwa 1 nm betragen, und sie kann die Austauschwechselwirkung zwischen magnetischen Partikeln abschwächen.
  • Das nichtmagnetische Material ist so angeordnet, daß die gegenseitige Austauschwechselwirkung zwischen den Partikeln im ferromagnetischen Film 4 abgeschwächt wird. Um zu verhindern, daß sich eine Spinwelle (Magnon) mit einer langen Wellenlänge im ferromagnetischen Film 4 ausbreitet, ist das nichtmagnetische Material 15 im ferromagnetischen Film 4 angeordnet. Obwohl in 11 eine Struktur dargestellt ist, die sowohl den ersten als auch den zweiten ferromagnetischen Film 4a, 4b durch ein nichtmagnetisches Material 15 teilt, kann ferner eine Struktur verwendet werden, in der nur ein ferromagnetischer Film durch ein nichtmagnetisches Material teilt wird.
  • Hier ist die Energie, die ein Magnon mit geringer Energie anregt, mit der folgenden Gleichung gegeben. E = 2J (2π/N)2 (1)
  • Hierbei ist N die Anzahl der Atome in einer Volumeneinheit, J die Austauschenergie des magnetischen Materials und proportional zu seinem Curie-Punkt. Wenn die Energie E eines Magnons gegeben ist, kann daher in einem Partikel, der eine kleinere Zahl N hat, als die, die in der Gleichung (1) bestimmt wird, kein Magnon angeregt werden.
  • Wenn beispielsweise E = 0,01 eV, dann wird aus der Gleichung (1) folgende Gleichung abgeleitet: N2 = (2J/0,01)(2π)2 (2)
  • Wenn J = 1500 K, dann wird, da 1 eV = 104 K, aus der Gleichung (2) folgendes abgeleitet:
    N = 16,8
  • Die Größe eines Korns wird dadurch abgeleitet, daß eine Gitterkonstante a = 0,25 nm folgendermaßen festgelegt wird: Na = 16,8 × 0,25 nm = 4,2 nm
  • Das heißt, in einem Partikel, dessen Partikeldurchmesser 4,2 nm oder kleiner ist, wird ein Magnon, das eine Energie E = 0,01 eV oder weniger besitzt, nicht angeregt.
  • Wie oben beschrieben, kann durch Teilung eines ferromagnetischen Films 4 durch ein nichtmagnetisches Material 15 in eine Größe, die kleiner ist als ein bestimmter Partikel, der aus der Energie eines Magnons abgeleitet wird, verhindert werden, daß das Magnon sich durch den ferromagnetischen Film 4 ausbreitet. Wenn jedoch die Größe des Partikels nach der Teilung durch das nichtmagnetische Material 15 zu klein ist, kann der Spin erhalten bleiben. Daher wird der ferromagnetische Film 4, um effektiv verhindern zu können, daß sich das Magnon ausbreitet, vorzugsweise in einen Bereich geteilt, der den Spin erhalten kann, nämlich so klein wie möglich.
  • Als Verfahren zur Trennung eines ferromagnetischen Films durch ein nichtmagnetisches Material, d. h. als Verfahren zur Einbringung eines nichtmagnetischen Materials in einen ferromagnetischen Film 4, ist eine nichtmagnetische Materialschicht (nichtmagnetische Metallschicht beispielsweise) als Unterschicht beispielsweise für einen ferromagnetischen Film 4 angeordnet. Nunmehr werden in 10 und 11 die nichtmagnetischen Unterschichten dargestellt. durch Wärmebehandlung eines solchen Laminatfilms kann das nichtmagnetische Material 15 entlang der Korngrenzen des ferromagnetischen Films 4 angeordnet werden. Das heißt, der ferromagnerische Film 4 ist durch das nichtmagnetische Material 15 entsprechend der Größe seines Korns getrennt. In diesem Fall wird durch vorherige Steuerung der Korngröße, die den ferromagnetischen Film 4 bildet, der ferromagnetische Film 4 durch das nichtmagnetische Material 15 in magnetische Partikel einer gewünschten Größe getrennt.
  • Da in einem magnetischen Element 14 gemäß dieser Ausführungsform der ferromagnetische Film 4 durch das nichtmagnetische Material 15 getrennt ist, wird verhindert, daß sich ein Magnon ausbreitet. Selbst wenn der Wert des elektrischen Stroms, der durch das magnetische Element 14 fließt, das ein ferromagnetisches Tunnelübergangselement darstellt, erhöht wird, um eine gewünschte Ausgangsspannung zu erreichen, kann daher verhindert werden, daß sich die Magnetowiderstandsänderungsrate verringert. Dadurch kann eine hohe Ausgangsspannung auf ausgezeichnete Weise erreicht werden. Außerdem wird durch Teilung des ferromagnetischen Films 4 durch das nichtmagnetische Material 15 der ferromagnetische Film 4 weichmagnetischer. Dadurch kann ein magnetisches Element 14 als MR-Element viel empfindlicher gemacht werden.
  • Als spezifische Elementstruktur der magnetischen Elemente vom Laminattyp 1, 14, die in jeder oben beschriebenen Ausführungsform gezeigt sind, kann eine beispielsweise in 12 und 13 gezeigte Struktur angeführt werden. Das heißt, auf dem unteren ferromagnetischen Film 4a, der auf einem Substrat 2 ausgebildet ist, sind wiederum zur teilweisen Abdeckung des unteren ferromagnetischen Films 4a ein gekörnter magnetischer Film 3, der orthogonal mit diesem ausgerichtet ist, und ein oberer ferromagnetischer Film 4b ausgebildet. In diesem Fall kann auf dem Substrat 2 anstelle des unteren ferromagnetischen Films 4a eine Elektrode, die aus einem nichtmagnetischen Metall besteht, zum Beispiel aus Cr, ausgebildet sein. Auf dem oberen ferromagnetischen Film 4b kann bei Bedarf eine Elektrode ausgebildet werden, die aus einem Leiter besteht, zum Beispiel aus Cu, Au, Ag oder dergleichen.
  • In den magnetischen Elementen 1, 14 einer solchen Struktur wird auf einem Abschnitt (beispielsweise auf einem orthogonalen Abschnitt), wo der gekörnte magnetische Film 3 und der ferromagnetische Film 4 einander überlappen, ein ferromagnetischer Tunnelübergang ausgebildet. Wenn ein Meßstrom in einer Filmdickenrichtung zu diesem Abschnitt geschickt wird, kann ein Magnetowiderstandseffekt des ferromagnetischen Tunnelübergangs, einschließlich des gekörnten magnetischen Films 3 verwendet werden.
  • 14 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine Struktur eines wesentlichen Abschnitts einer fünften Ausführungsform eines magnetischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem magnetischen Element 16, das in 14 gezeigt ist, sind auf dem gekörnten magnetischen Film 3 zwei voneinander getrennte ferromagnetische Filme 4a, 4b parallel angeordnet. In einem magnetischen Element vom Laminattyp ist der laminierte Bereich des gekörnten magnetischen Films und des ferromagnetischen Films nicht auf einen eingeschränkt. Die ferromagnetischen Filme 4a, 4b können in diesem Fall, wie in 15 gezeigt, in einer Filmebenenrichtung durch das nichtmagnetische Material 15 getrennt sein.
  • In den Strukturen, die in 14 und 15 gezeigt sind, sind zwei laminierte Abschnitte eines gekörnten magnetischen Films 3 und eines ferromagnetischen Films 4 ausgebildet. In einer solchen Struktur kann unter dem gekörnten magnetischen Film 3 vorzugsweise eine Unterschicht 17 mit geringerem Widerstand als der gekörnte magnetische Film 3 angeordnet sein. Die Unterschicht 17 kann ein ferromagnetischer Metallfilm oder ein nichtmagnetischer Metallfilm sein. durch die Unterschicht 17 mit niedrigem Widerstand kann der Tunnelstrom, der entlang der Filmebene des gekörnten magnetischen Films 3 fließt, unterdrückt werden.
  • Da in einem magnetischen Element 16 der oben beschriebenen Struktur eine Vielzahl von laminierten Abschnitten, die aus einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem ferromagnetischen Film 4 bestehen, verwendet werden können, kann die Widerstandsänderungsrate erhöht werden. Wenn ein magnetisches Element 16 eine Unterschicht 17 mit niedrigem Widerstand aufweist, fließt ein elektrischer Strom in der Filmebenenrichtung durch die Unterschicht 17. Da der Widerstand dieses Abschnitts klein ist und bei einer feinen Trennung des Elementbereichs im Vergleich zu dem Widerstand, der quer zum gekörnten magnetischen Film 3 besteht, ignoriert werden kann, können verschiedene Arten von Charakteristiken so gesteuert werden, daß der elektrische Widerstand entsprechend dem elektschen Stromweg, der den gekörnten magnetischen Film 3 durchquert, um das Zweifache erhöht werden kann.
  • Als nächstes wird eine weitere Ausführungsform eines magnetischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 16 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine Struktur eines wesentlichen Abschnitts einer ersten Ausführungsform zeigt, bei der eine planare Struktur verwendet wird, die einen elektschen Strom entlang der Substratoberfläche des magnetischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung fließen läßt. In dem planaren magnetischen Element 21, das in 16 gezeigt ist, sind auf einem Substrat 2 ein gekörnter magnetischer Film 3 und zwei ferromagnetische Filme 4, 4, zwischen denen der gekörnte magnetische Film angeordnet ist, entlang der Substratoberfläche angeordnet.
  • Das heißt, zwei ferromagnetische Filme 4, 4 (der erste und der zweite ferromagnetische Film), die einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der gekörnte magnetische Film 3 zwischen diesen angeordnet ist, sind entlang einer Oberfläche des Substrats angeordnet. Die Übergangsabschnitte (parallel angeordneter Übergangsabschnitt), an denen ein gekörnter magnetischer Film 3 und ein ferromagnetischer Film 4 in einer Richtung parallel mit der Substratoberfläche verbunden sind, bilden ferromagnetische Tunnelübergänge. Der magnetische Film 4 kann in diesem Fall, wie in 17 gezeigt, in einer Filmebenenrichtung durch nichtmagnetisches Material 15 getrennt sein. Außerdem kann anstelle eines ferromagnetischen Films 4 ein nichtmagnetischer Metallfilm, der als Elektrode verwendet werden kann, angeordnet sein.
  • Der spezifische Aufbau oder ein zusätzlicher Aufbau der entsprechenden Schichten des planaren magnetischen Elements 21 ist identisch mit dem Aufbau der oben beschriebenen magnetischen Elemente vom Laminattyp 1, 14, ein Vormagnetisierungsfilms kann beispielsweise bei Bedarf angeordnet sein. Und ein planares magnetisches Element 21, das mit den oben beschriebenen magnetischen Elementen vom Laminattyp 1, 14 identisch ist, mit der Ausnahme, daß ein Meßstrom, einschließlich Tunnelstrom, zwischen dem gekörnten magnetischen Film 3 und dem ferromagnetischen Film 4 entlang einer Substratoberfläche fließt, kann durch Änderung der Spinrichtung des magnetischen Films (beispielsweise der ferromagnetische Film 4) mit einer kleineren Koerzitivkraft im Vergleich zwischen dem gekörnten magnetischen Film 3 und dem ferromagnetischen Film 4 mittels eines externen Magnetfelds und dergleichen einen Riesenmagnetowiderstandseffekt manifestieren.
  • Bei einem solchen planaren magnetischen Element 21 kann ein Effekt, der mit dem Effekt der oben beschriebenen magnetischen Elemente 1, 14 vom Laminattyp identisch ist, erreicht werden. Wenn der ferromagnetische Film 4 durch ein nichtmagnetisches Material 15 getrennt ist, kann, da die Ausbreitung eines Magnons verhindert werden kann, die Verringerung der MR-Änderungsrate auch dann unterdrückt werden, wenn ein elektrischer Strom erhöht wird. Da ein planarer Typ mit einer Feinverarbeitungstechnologie leicht hergestellt werden kann, kann eine stabile Charakteristik erreicht werden, und eine hohe Verdichtung des Elements kann leicht erreicht werden.
  • Als planares Element, wie beispielsweise in 18 gezeigt, kann auch eine Struktur vom Randverbindungstyp verwendet werden. In einem magnetischen Element 22 vom Randverbindungstyp, das in 18 gezeigt ist, werden auf einem Substrat 2 ein ferromagnetischer Film 4 und eine Isolierschicht 23 miteinander gestapelt, wobei deren Randfläche eine abgeschrägte Randfläche ist, die in einem vorbestimmten Winkel relativ zur Substratfläche abgeschrägt ist. Ein gekörnter magnetischer Film 3 und ein oberer ferromagnetischer Film 4 sind miteinander gestapelt, um mindestens den abgeschrägten Randbereich des Laminatfilms des unteren ferromagnetischen Films 4 und der Isolierschicht 23 zu überdecken. In dem magnetischen Element vom Randverbindungstyp 16 bildet ein Verbindungsabschnitt aus einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem ferromagnetischen Film 4, die beide in einer parallelen Richtung mit der Substratfläche an dem abgeschrägten Abschnitt verbunden sind, einen ferromagnetischen Tunnelübergang. Hier kann von den beiden Schichten, nämlich dem oberen und dem unteren ferromagnetischen Film 4, 4 anstelle des einen ferromagnetischen Films 4 ein nichtmagnetischer Metallfilm angeordnet sein. Selbst in einem solchen magnetischen Element vom Randverbindungstyp 22 kann ein Effekt erreicht werden, der mit dem Effekt des magnetischen Elements vom planaren Typ 21 identisch ist.
  • Als nächstes wird eine Ausführungsform eines weiteren magnetischen Elements der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 19 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine Struktur eines wesentlichen Abschnitts eines Beispiels zeigt, das zum Verständnis der vorliegenden Erfimdung eines weiteren magnetischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist. In dem magnetischen Element 31, das in der Figur gezeigt ist, ist auf dem Substrat 32 ein erster ferromagnetischer Film 33 ausgebildet. Auf dem ersten ferromagnetischen Film 33 ist ein zweiter ferromagnetischer Film 35 durch eine Tunnelisolierschicht 34 getrennt ausgebildet. Die Tunnelisolierschicht 34 weist eine Dicke auf, die es ermöglicht, daß ein Tunnelstrom zwischen dem ersten ferromagnetischen Film 33 und dem zweiten ferromagnetischen Film 35 fließt. Die Dicke der Tunnelisolierschicht 34 ist vorzugsweise 30 nm oder kleiner. Bei diesen entsprechenden Elementen ist ein magnetisches Element (ferromagnetisches Tunnelübergangselement) 31 ausgebildet, das einen ferromagnetischen Tunnelübergang aufweist.
  • Der erste und der zweite ferromagnetische Film 33, 35 sind in einer Filmebenenrichtung durch nichtmagnetisches Material 36 getrennt. Die Größe, zu der die ferromagnetischen Filme 33, 35 durch das nichtmagnetische Material 36 getrennt sind, das Material oder die Dicke des nichtmagnetischen Materials 36, ein Verfahren zur Anordnung des nichtmagnetischen Materials 36 in ferromagnetischen Filmen 33, 35 und dergleichen sind identisch mit der oben beschriebenen Ausführungsform. In dem magnetischen Element 31 gemäß dieser Ausführungsform wird verhindert, daß sich in den ferromagnetischen Filmen 33, 35, die durch nichtmagnetisches Material 36 getrennt sind, ein Magnon ausbreitet.
  • Der erste und der zweite ferromagnetische Film 33, 35 können die Spinrichtung nur eines ferromagnetischen Films beispielsweise durch ein Magnetfeld ändern, wodurch sich ein Riesenmagnetowiderstandseffekt manifestiert. In dem Zustand, wo die Richtungen der Spins des ersten und des zweiten ferromagnetischen Films 33, 35 die gleichen Richtungen sind, wird der Widerstand des ferromagnetischen Tunnelübergangselements 31 (Widerstand des Tunnelstroms in einer Richtung senkrecht zur Filmebene) minimal. Aus diesem Zustand wird durch Umkehrung der Richtung des Spins eines ferromagnetischen Films durch ein externes Magnetfeld und dergleichen der Widerstand des ferromagnetischen Tunnelübergangselements 31 maximal. In diesem Fall muß der Spin des anderen ferromagnetischen Films im wesentlichen gegen das externe Magnetfeld festgehalten werden.
  • Um die Spinrichtung in nur einem ferromagnetischen Film von dem ersten und dem zweiten ferromagnetischen Film 33, 35 zu ändern, kann die Differenz der Koerzitivkräfte der ferromagnetischen Materialien beispielsweise genutzt werden. Oder es kann, wie in 20 gezeigt (die ein weiteres Beispiel zeigt, das zum Verständnis der Erfindung geeignet ist), ein ferromagnetischer Film (der zweite ferromagnetische Film 35 in 20), mit einem antiferromagnetischen Film 37 gestapelt werden kann, um die Magnetisierung durch Austauschkopplung mit dem antiferromagnetischen Film 37 festzuhalten. Zum Festhalten der Magnetisierung eines ferromagnetischen Films kann ein antiferromagnetischer Film aus Co/Ru/Co, Co/Au/Co und dergleichen verwendet werden.
  • Ein spezifisches Material für die ferromagnetischen Filme 33, 35 ist nicht auf ein bestimmtes Material beschränkt, sondern es können verschiedene Arten von ferromagnetischen Materialien verwendet werden, die von verschiedenen Arten von weichmagnetischen Materialien, zum Beispiel Fe-Ni-Legierung, die durch ein Permalloy, Fe, Co, Ni und Legierungen daraus dargestellt werden, einer Heuslerschen Legierungen, zum Beispiel NiMnSb, PtMnSb und dergleichen, einem Oxid, das auf einem magnetischen Material beruht, zum Beispiel CrO2, Magnetit, (La,Sr)MnO3 und dergleichen, und einer amorphen Legierung und dergleichen bis zu hartmagnetischen Materialien reichen, zum Beispiel eine Co-Pt-Legierung, eine Fe-Pt-Legierung, eine Übergangsmetall-Seltenerdlegierung und dergleichen.
  • Ein solches ferromagnetisches Tunnelübergangselement 31 ist normalerweise ein dünner Film und kann mit einem herkömmlichen Dünnfilmherstellungsverfahren hergestellt werden, zum Beispiel mit einem Molekularstrahlepitaxie-(MBE-)Verfahren, verschiedenen Arten von Kathodenzerstäubungsverfahren, Beschichtungsverfahren und dergleichen. Außerdem kann das ferromagnetische Tunnelübergangselement 31 gemäß der vorliegenden Erfindung als Unterschicht, die aus einem magnetischen Material oder aus einem nichtmagnetischen Material besteht, oder als Überzugsschicht angeordnet sein, die aus einem nichtmagnetischen Material besteht.
  • Das ferromagnetische Tunnelübergangselement 31 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform kann, da die ferromagnetischen Filme 33, 35 durch das nichtmagnetische Material 36 getrennt sind, verhindern, daß sich ein Magnon ausbreitet. Auch wenn ein elektrischer Strom, der zum ferromagnetischen Tunnelübergangselement 31 geschickt wird, erhöht wird, um einen gewünschten Ausgangsspannungswert zu erreichen, kann daher die Verringerung der Magnetowiderstandsänderungsrate unterdrückt werden. Dadurch kann eine hohe Ausgangsspannung leicht erreicht werden. Ferner werden durch die Trennung der ferromagnetischen Filme 33, 35 durch das nichtmagnetische Material 36 die ferromagnetischen Filme 33, 35 weichmagnetisch gemacht. Dadurch kann das ferromagnetische Tunelübergangselement 31 als MR-Element empfindlicher gemacht werden.
  • Eine Struktur, die ferromagnetische Filme 33, 35 durch ein nichtmagnetisches Material 36 trennt, ist nicht auf die Struktur beschränkt, die in 19 gezeigt ist. Beispielsweise kann, wie in 21 gezeigt (die ein weiteres Beispiel ist, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung geeignet ist), eine Struktur verwendet werden, bei der eine ferromagnetische Schicht 35a und eine nichtmagnetische Schicht 38 alternierend gestapelt sind. durch abwechselnde Ausbildung einer ferromagnetischen Schicht 35a und einer nichtmagnetischen Schicht 38 kann unter einem relativ hohen Gasdruck unter Verwendung eines Kathodenzerstäubungsverfahrens eine Struktur erreicht werden, bei der die ferromagnetische Schicht 35a durch die nichtmagnetische Schicht 38 getrennt ist.
  • Ferner kann durch Wärmebehandlung des ferromagnetischen Films 35 mit einer mehrschichtigen Struktur eine Struktur erreicht werden, bei der ein nichtmagnetisches Material 38a entlang der Korngrenzen jeder ferromagnetischen Schicht 35a angeordnet ist. Ein ferromagnetischer Film 35 mit einer solchen mehrschichtigen Struktur ist getrennt durch nichtmagnetische Schichten 38, die in einer Filmdickenrichtung jeder ferromagnetischen Schicht 35a angeordnet sind, und durch ein nichtmagnetisches Material 38a, das innerhalb des jeweiligen ferromagnetischen Films 35a angeordnet ist. Obwohl in 21 der Fall gezeigt ist, wo nur ein ferromagnetischer Film 35 eine mehrschichtige Struktur bildet, kann die mehrschichtige Struktur auch für beide ferromagnetische Filme 33, 35 verwendet werden.
  • Als ferromagnetischer Film, der durch nichtmagnetisches Material getrennt ist, kann ein nanokristallines Material verwendet werden, in dem feine magnetische Partikel von mehreren Nanometern durch ein nichtmagnetisches Material getrennt sind. Da der gekörnte magnetische Film der oben beschriebenen Ausführungsform eine Struktur hat, bei der feine magnetische Partikel durch eine dielektrische Matrix getrennt sind, kann diese ferner auch als ferromagnetischer Film verwendet werden, der durch ein nichtmagnetisches Material im ferromagnetischen Tunnelübergangselement 31 getrennt ist.
  • Wenn in einem ferromagnetischen Tunnelübergangselement 31, das einen Riesenmagnetowiderstandseffekt zeigt, ein Lesestrom in seiner Stapelrichtung fließt, fließt ein Tunnelstrom zwischen einem ersten und einem zweiten ferromagnetischen Film 33, 35. Durch Messen der Spannung des Lesestroms, einschließlich eines solchen Tunnelstroms, kann ein externes Magnetfeld, zum Beispiel ein Signalmagnetfeld, detektiert werden. Eine Funktion, die in der Lage ist, ein externes Magnetfeld zu detektieren, dir mit einem herkömmlichen MR-Element identisch ist, kann als Magnetkopf oder als Magnetfeldsensor vom Magnetowiderstandseffekttyp verwendet werden. Außerdem wird, ausgehend von einem ersten und einem zweiten ferromagnetischen Film 33, 35, ein ferromagnetischer Film, der eine geringere Koerzitivkraft hat, zu einer Aufzeichnungsschicht, und der andere wird zu einer Schicht, in der der Spin festgehalten wird, und durch Beurteilung der Magnetisierungsrichtung der Aufzeichnungsschicht mit dem identischen Lesestrom können in die Aufzeichnungsschicht geschriebene Daten gelesen werden. Dies kann als magnetisches Speicherelement genutzt werden.
  • Die magnetischen Elemente 1, 14, 16, 21, 22, 31 der oben beschriebenen entsprechenden Ausführungsformen können jeweils als Magnetowiderstandseffekt-Magnetkopf, Magnetfeldsensor, Magnetspeicherelement und dergleichen verwendet werden.
  • Magnetköpfe vom Magnetowiderstandseffekttyp, die die Magnetköpfe 1, 14, 16, 21, 22, 31 der jeweiligen Ausführungsformen verwenden, können aufgebaut sein wie ein herkömmlicher Magnetowiderstandseffekt-Kopf. Das heißt, ausgehend von einem gekörnten magnetischen Film 3 und einem ferromagnetischen Film 4 oder einem ersten ferromagnetischen Film 33 und einem zweiten ferromagnetischen Film 35, wird durch Verwendung eines magnetischen Films, dessen Koerzitivkraft kleiner ist als die des anderen, als freie Schicht die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht beispielsweise entsprechend einem Signalmagnetfeld geändert. Durch Messung der Widerstände eines gestapelten Verbindungsabschnitts, eines parallel angeordneten Verbindungsabschnitts oder eines Randverbindungsabschnitts zu dieser Zeit kann ein Signalmagnetfeld detektiert werden. Dieser ist effektiv als Lesekopf, zum Beispiel als Magnetaufzeichnungsbauelement. Außerdem kann er als Magnetfeldsensor verwendet werden.
  • Nachstehend werden Fälle, wo magnetische Elemente 1, 14, 16, 21, 22, 31 entsprechend der Ausführungsformen als Magnetspeicherelemente angewendet werden, zum Beispiel als Magnetspeicher oder dergleichen beschrieben.
  • Was einen gekörnten magnetischen Film 3 und einen ferromagnetischen Film 4 oder einen ersten ferromagnetischen Film 33 und einen zweiten ferromagnetischen Film 35 betrifft, so wird in diesem Fall ein magnetischer Film, der eine geringere Koerzitivkraft hat als der andere, zu einer Aufzeichnungsschicht gemacht, und der andere wird zu einer festgehaltenen Schicht gemacht. Wenn beispielsweise der ferromagnetische Film 4 zu einer Aufzeichnungsschicht gemacht wird, erfolgt das Lesen, indem eine Spannung gemessen wird, die zwischen dem ferromagnetischen Film 4, der eine Aufzeichnungsschicht ist, und dem gekörnten magnetischen Film 3 induziert wird. Das heißt, durch Umkehrung des Spins des ferromagnetischen Films 4, der eine Aufzeichnungsschicht ist, wird bei paralleler oder bei antiparalleler Ausrichtung mit dem Spin des gekörnten magnetischen Films 3 "1" beziehungsweise "0" festgelegt.
  • Da sich die Lesespannung, wenn die Spannung zwischen einem ferromagnetischen Film 4 als Aufzeichnungsschicht und einer gekörnten magnetischen Schicht 3 gemessen wird, infolge des Magnetowiderstandseffekts in bezog auf "1" oder "0" unterscheidet, kann dies beim Lesen unterschieden werden. Die Aufzeichnung von "1" oder "0" auf einem ferromagnetischen Film 4 kann erfolgen, indem eine Wortleitung beispielsweise über dem ferromagnetischen Film 4 angeordnet wird und ein Stromimpuls zu ihm geschickt wird, um seine Richtung zu ändern. Bei diesem Vorgang ändert der Spin des gekörnten magnetischen Films 3 wegen seiner größeren Koerzitivkraft nicht seine Richtung.
  • Das oben beschriebene Magnetspeicherelement kann genauso aufgebaut sein wie jedes Magnetspeicherelement 1, 14, 16, 31 vom Stapeltyp, ein magnetisches Element 21, 22 vom planaren Typ. Hierbei kann ein gekörnter magnetischer Film 3 als Aufzeichnungsschicht und ein ferromagnetischer Film 4 als Schicht zum Festhalten des Spins verwendet werden. Auch wenn das ferromagnetische Tunnelübergangselement 31 angewendet wird, ist das Funktionsprinzip oder dergleichen identisch.
  • Da das magnetische Speicherelement gemäß der vorliegenden Erfindung ein nichtflüchtiger fester Speicher ist und da kein bewegtes Teil wie bei einer Festplatte vorhanden ist, ist es höchst zuverlässig und kann mit einer viel höheren Geschwindigkeit betrieben werden. Ferner kann der elektrische Widerstand in einem großen Bereich gesteuert werden, und die aufgezeichnete Information kann zerstörungsfrei gelesen werden. Ferner ist sein Ausgangssignal groß.
  • Als nächstes werden spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und bewertete Ergebnisse derselben beschrieben.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 1
  • Ein ferromagnetischer Tunnelübergangsfilm mit der Struktur, wie in 12 und 13 gezeigt, wird mit einem Hochfrequenzkathodenzerstäubungsverfahren hergestellt. In dem ferromagnetischen Tunnelübergangsfilm bildet ein gekörnter magnetischer Film eine Tunnelbarriere. Zuerst wird auf einem Glassubstrat 2 anstelle des ferromagnetischen Films 4a in 12 und 13 ein Streifen aus Cr-Film von 10 mm Länge, 0,5 mm Breite als untere Elektrode ausgebildet. Darauf wird ein gekörnter magnetischer Film 3 hergestellt, um einen Teil des Cr-Films zu überdecken, und wieder darauf wird ein ferromagnetischer Film 4b mit der gleichen Form wie der Cr-Film ausgebildet, um orthogonal mit dem Cr-Film zu verlaufen. Als nächstes wird als obere Elektrode ein Au-Film ausgebildet, und durch Anlegen einer Spannung zwischen die obere Elektrode und die untere Elektrode wird der Magnetowiderstandseffekt gemessen.
  • Ein gekörnter magnetischer Film 3 wird hergestellt durch gleichzeitige Kathodenzerstäubung von Co80Pt20 und SiO2 unter Verwendung von Co80Pt20-Legierung und SiO2 als Targets unter einem Ar-Gasdruck von 0,3 Pa und einer Substratvorbelastung von 400 W, um einen Film (Filmdicke ist 10 nm) auszubilden, bei dem Co80Pt20-Legierungspartikel in SiO2 dispergiert sind. Wenn die Struktur in diesem Zustand mit einem Elektronenmikroskop betrachtet wird, dann sind etwa 50% der Co80Pt20-Legierungspartikel in der SiOx-Matrix dispergiert. Durch Anlegen einer Vorspannung während der Filmausbildung vergrößern sich die Co80Pt20-Legierungspartikel auf etwa 8 nm Partikeldurchmesser und etwa 1,5 nm Abstand zwischen den Partikeln. Durch Messen der Magnetisierung mit einem groben Vibrationsmagnetometer betrug die Koerzitivkraft immerhin 2 kOe, und es wurde eine deutliche Hysterese erreicht. In diesem gekömten magnetischen Film wurde kein Superparamagnetismus beobachtet.
  • Auf dem oben beschriebenen gekörnten magnetischen Film 3 ist als ferromagnetischer Film 4b ein Co90Fe10-Legierungsfilm mit einer Dicke von 20 nm ausgebildet. Eine Magnetisierungskurve des erzeugten, orthogonal gestapelten Films ist in 22 gezeigt. Mit einer hohen Koerzitivkraft des gekörnten magnetischen Films 3, in dem Co80Pt20-Legierungspartikel in einer SiOx-Matrix dispergiert sind, und einer geringen Koerzitivkraft von 20 Oe eines ferromagnetischen Films 4b, der aus einem Co90Fe10-Legierungsfilm besteht, ist eine deutliche zweistufige Hysterese zu beobachten.
  • Wenn der Magnetowiderstandseffekt gemessen wird, wird zuerst ein großes Magnetfeld in Minusrichtung bereitgestellt, um die Spins des Co90Fe10-Legierungsfilms und des gekörnten magnetischen Films in Minusrichtung auszurichten, danach wird das Magnetfeld verringert, um es in die Plusrichtung umzukehren. Die erzielte Magnetfeldabhängigkeit der Magnetowiderstandsänderungsrate ist in 23 gezeigt. Gemäß der Magnetisierungskurve erhöht sich der Widerstand steil in einem Plus-Magnetfeld, das nur etwa 20 Oe beträgt, dieses kleine Magnetfeld zeigt, daß die magnetische Umkehrung des Co90Fe20-Legierungsfilms zum Magnetowiderstandseffekt beiträgt. Wenn ein größeres Plus-Magnetfeld bereitgestellt wird, wird der Spin des gekörnten Magnetfeldes auch umgekehrt, was zu einer Verringerung des Widerstands führt. Der maximale Widerstand betrug 2,8 Ω, die Widerstandsänderungsrate betrug 14%.
  • Es ist also offensichtlich, daß das magnetische Element gemäß der vorliegenden Erfindung sehr empfindlich ist und der Widerstand kleiner ist als der Widerstand eines herkömmlichen ferromagnetischen Tunnelübergangselements, bei dem ein Isolierfilm eine Barriere bildet.
  • VERGLEICHSBEISPIEL 1
  • Wenn ein gekörnter magnetischer Film, ohne daß eine Substratvorspannung bereitgestellt wird, mit identischen Materialien wie in der Ausführungsform 1 hergestellt wird, wird ein Stapelfilm mit der gleichen Form hergestellt. Die Magnetisierungskurve zeigt in diesem Fall, wie in 24 gezeigt, eine Form, die die Magnetisierungskurve eines Co90Fe20-Legierungsfilms überlappte, und eine Form des Superparamagnetismus. Ein deutlicher Magnetowiderstandseffekt, der die magnetische Umkehrung eines Co90Fe10-Legierungsfilms begleitet, betrug etwa 2%. Die Ursache dafür ist folgende: Da ein gekörnter magnetischer Film superparamagnetisch ist, kann kein antiparalleler Zustand der Spins zwischen ihm und dem Co90Fe10-Legierungsfilm realisiert werden.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 2
  • Ein ferromagnetischer Tunnelübergangsfilm eines Randverbindungstyps, der in 18 gezeigt ist, wird mit einem Hochfrequenzkathodenzerstäubungsverfahren hergestellt. Zuerst wird auf einem Glassubstrat 2 unter einer ähnlichen Bedingung wie bei der Ausführungsform 1 anstelle eines unteren ferromagnetischen Films 4 in 18 ein Cr-Film von 10 mm Länge, 0,5 mm Breite, 20 nm Dicke ausgebildet. Darauf wird eine AlN-Isolierschicht 23 ausgebildet. Dann wird mit einem konvergierten Ionenstrahl ein Ionenstrahl schräg auf den Rand des Stapelfilms emittiert, der aus einem Cr-Film und einem AlN-Isolierfilm 23 besteht, um die Randfläche des Stapelfilms zu einer Schrägung umzuformen. Um die geneigte Randfläche zu überdecken, wird danach ein gekörnter magnetischer Film 3 ausgebildet, bei dem Co80Pt20-Legierungspartikel in einer SiOx Matrix dispergiert sind und der eine Dicke von 10 nm hat, und darauf wird ein Co90Fe10-Legierungsfilm von 20 nm Dicke als ferromagnetischer Film 4 ausgebildet.
  • Wenn in dem oben beschriebenen ferromagnetischen Tunnelübergangsfilm vom Randverbindungstyp ein Lesestrom zwischen dem Cr-Film und dem Co90Fe10-Legierungsfilm hindurchgeleitet wird, wird dessen Spannung gemessen, um den Magnetowiderstandseffekt zu bewerten. Als Ergebnis wurde eine den Magnetowiderstandseffekt begleitende magnetische Umkehrung des Co90Fe10-Legierungsfilms beobachtet. Die Magnetowiderstandsänderungsrate betrug 22%, die magnetische Umkehrung des Magnetfeldes betrug 20 Oe.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 3
  • Ein Stapelfilm mit einer Struktur, die in 7 gezeigt ist, wird mit einem Hochfrequenzkathodenzerstäubungsverfahren hergestellt. Zunächst wird auf einem Glassubstrat 2 ein Fe-Film mit einer Dicke von 20 nm mit einem Fe-Target unter der Bedingung eines Ar-Gasdruckes von 0,3 Pa und einer Substratvorbelastung von 400 W als ferromagnetischer Film 4 ausgebildet. Darauf wurde ein Film (Filmdicke 10 nm), bei dem ferromagnetische (La0,7Sr0,3)MnO3-Partikeln in Bi2O3 dispergiert waren, durch Kathodenzerstäubung von (La0.7Sr0,3)MnO3)80(Bi2O3)20 als Target unter der oben beschriebenen Bedingung als gekörnter magnetischer Film 3 hergestellt. Dann wurde auf diesem gekörnten magnetischen Film 3 ein antiferromagnetischer FeMn-Film 10 mit einer Filmdicke von 20 nm ausgebildet.
  • Als nächstes wurde auf den antiferromagnetischen FeMn-Film 10 durch Kathodenzerstäubung eine Au-Elektrode aufgestäubt, und eine Spannung wurde zwischen diese und dem Fe-Film angelegt, um den Magnetowiderstandseffekt zu messen. Die Magnetowiderstandsänderungsrate betrug 33%, das umgekehrte Magnetfeld betrug 50 Oe. durch Anwendung von (La0,7Sr0,3)MnO3-Partikeln mit einer Spinpolarisation von 100% als gekörntes magnetisches Material wurde die Magnetowiderstandsänderungsrate erhöht und eine höhere Empfindlichkeit erreicht.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 4
  • Mit einer Kathodenzerstäubungsvrrichtung wird zunächst auf einem thermisch oxidierten Si-Substrat eine Ag-Schicht mit einer Dicke von 100 nm ausgebildet. Nachdem darauf eine Fe-Schicht mit einer Dicke von 0,5 nm aufgestapelt worden ist, wird auf dieser Fe-Schicht ein gekörnter magnetischer Film ausgebildet. Der gekörnte magnetische Film wird durch gleichzeitige Kathodenzerstäubung einer Co80Pt20-Legierung und SiO2 mit Co80Pt20-Legierungs- und SiO2-Targets unter der Bedingung eines Ar-Gasdruckes von 0,13 Pa (1 × 10–10 Ton) und einer Substratvorbelastung von 300 W ausgebildet. Im Ergebnis entsteht ein gekörnter magnetischer Film, in dem CoPt-Legierungspartikel in SiO2 dispergiert sind und der eine Filmdicke von 10 nm hat. Im Ergebnis der Messung der magnetischen Eigenschaften hatte der gekörnte magnetische Film immerhin eine Koerzitivkraft von 1,8 kOe, eine deutlich unterschiedliche Hysteresekurve wurde erreicht und es wurde kein superparamagnetisches Verhalten beobachtet.
  • Auf dem oben beschriebenen gekörnten magnetischen Film wird, nachdem eine Probe 1, auf der Ag (3 nm)/Ni80Fe20 (5 nm) gestapelt worden ist, und eine Probe 2, auf der zehn Schichten (Ag(1 nm)/Ni80Fe20(2 nm)) gestapelt worden sind, jeweils eine Ag-Schicht aufgestapelt. Danach werden die Proben 1, 2 jeweils bei 300°C in einem Magnetfeld wärmebehandelt, um eine uniaxiale Anisotropie hervorzurufen. durch diese Wärmebehandlung in einem Magnetfeld wird Ag in die Korngrenzen einer Fe-Schicht und einer Ni80Fe20-Schicht diffundiert, die beide ferromagnetische Filme sind. Bei einer Schnitt- durchstrahlungselektronenmikroskopuntersuchung wird deutlich, daß diese ferromagnetischen Schichten durch Ag getrennt sind.
  • Die Vorspannungsabhängigkeit der Tunnelmagnetowiderstandsänderungsrate der Proben 1, 2 wird gemessen. Die Meßergebnisse sind in 25 dargestellt. Auch wenn, wie aus 25 hervorgeht, die Spannung, die an ein Element angelegt wird, erhöht wird, ist die Verringerung der Magnetowiderstandsänderungsrate geringfügig. Daher kann ein magnetisches Element bereitgestellt werden, das in der Lage ist, eine hohe Ausgangsspannung zu erreichen. Ferner weist der Magnetowiderstand des Ni80Fe20, das durch Ag getrennt ist, eine steile Änderung bei einem Magnetfeld auf, das nur etwa 4 Oe beträgt, und es zeigte sich ein ausgezeichnetes Verhalten als Magnetowiderstandskopf magnetischer Sensor und magnetisches Speicherelement.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 5
  • Mit einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung wurde auf einem Glassubstrat mit Co80Fe20 und Cu als Target unter der Bedingung eines Ar-Gasdruckes von 0,13 Pa (10–3 Torr) eine gleichzeitige Kathodenzerstäubung implementiert. Danach wurde für 30 min eine Ausheilung bei 300°C implementiert. Im Ergebnis wurde ein gekörnter magnetischer Film, bei dem Co80Fe20-Partikeln in Cu dispergiert waren, mit einer Filmdicke von 100 nm erreicht. Im Ergebnis der Messung der magnetischen Eigenschaften betrug die Koerzitivkraft des gekörnten magnetischen Films immerhin 0,3 kOe, eine deutliche Hysteresekurve wurde erzielt, und es wurde kein superparamagnetisches Verhalten beobachtet.
  • Auf dem oben beschriebenen gekörnten magnetischen Film wurde, nachdem ein Al-Film mit einer Dicke von 1 nm ausgebildet worden war, Ar + O2-Gas in eine Kammer eingeleitet, um eine Plasmaoxidation durchzuführen, um einen Al2O3-Film auszubilden. Nach der Herstellung der Probe 1, auf der Ag (3 nm)/Ni80Fe20 (5 nm) aufgestapelt war, und der Probe 2, auf der zehn Schichten (Ag(1 nm)/Ni80Fe20(2 nm)) aufgestapelt waren, wurde jeweils eine Ag-Schicht von 100 nm Dicke als Gap-Schicht darauf ausgebildet. Danach wurden die Probe 1 und die Probe 2 bei 300°C in einem Magnetfeld wärmebehandelt, um eine uniaxiale Anisotropie zu erzeugen. Durch diese Wärmebehandlung in einem Magnetfeld wurde Ag in Ni80Fe20 als ferromagnetischer Film diffundiert. Es war durch Schnitt-Durchstrahlungselektronenmikroskopuntersuchung ersichtlich, daß der ferromagnetisch Ni80Fe20-Film durch Ag getrennt war.
  • Die Vorspannungsabhängigkeit der Tunnelmagnetowiderstandsänderungsrate dieser Proben 1, 2 wurde gemessen. Die ermittelten Ergebnisse sind in 26 gezeigt. Hier sind auch die Meßergebnisse eines Co80Fe20/Al2O3/NiFe-Tunnelübergangs (Vergleichsbeispiel) dargestellt, in dem der ferromagnetische Film nicht durch ein nichtmagnetisches Material getrennt ist. In dem Co80Fe20/Al2O3/NiFe-Tunnelübergang als Vergleichsbeispiel verringert sich die Magnetowiderstandsänderungsrate schnell, wenn die Spannung, die an das Element angelegt wird, erhöht wird, aber in den entsprechenden Elementen der Ausführungsform 2, die ferromagnetische Filme haben, die durch ein nichtmagnetisches Element Cu, Ag getrennt sind, ist auch dann, wenn der Eingangsspannungswert erhöht wird, eine Verringerung der Magnetowiderstandsänderungsrate schwach, und es kann eine große Ausgangsspannung erreicht werden. Ferner zeigt der Magnetowiderstand des Ni80Fe20, das durch Ag getrennt ist, als steile Änderung bei einem Magnetfeld, das nur etwa 4 Oe beträgt, ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten als Magnetowiderstandskopf Magnetsensor und magnetisches Speicherelement.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 6
  • Mit einem Kathodenzerstäubungsvorrichtung wird auf einem thermisch oxidierten Si-Substrat eine Cr-Unterschicht ausgebildet, und auf dieser Cr-Unterschicht wird ein gekörnter magnetischer Film ausgebildet. Der gekörnte magnetische Film wird durch gleichzeitige Kathodenzerstäubung mit Co80Pt20-Legierung und Al2O3 als Target unter der Bedingung eines Ar-Gasdruckes von 0,13 Pa (1 × 10–3 Ton) und einer Substratvorbelastung von 300 W ausgebildet. Im Ergebnis entsteht ein gekörnter magnetischer Film, bei dem CoPt-Legierungspartikel in Al2O3 dispergiert sind und der eine Filmdicke von 10 nm. Im Ergebnis der Messung der magnetischen Eigenschaften hatte der gekörnte magnetische Film eine Koerzitivkraft, die immerhin 2 kOe betrug, und es wurde eine ganz andere Hysteresekurve erreicht, und superparamagnetisches Verhalten wurde nicht beobachtet.
  • Auf dem gekörnten magnetischen Film wurden fünf Schichten aus (Mo(1 nm)/Co50Fe30Ni20(2 nm)) unter der Bedingung eines Ar-Gasdruckes von 1,3 Pa (1 × 10–2 Ton) ausgebildet, um eine Probe herzustellen. Wenn der Ar-Gasdruck erhöht wird, wird eine glatte Laminierung in diesem Fall nicht größer, und wie beispielsweise in 21 gezeigt, wird eine Struktur erreicht, bei der der ferromagnetische Film durch nichtmagnetische Schichten getrennt ist. durch Feinverarbeitung eines solchen ferromagnetischen Films mittels Fräsen wurde ein magnetisches Element mit einer Struktur hergestellt, wie in 15 gezeigt. durch Wärmebehandlung in einem magnetischen Feld wurde danach eine uniaxiale Anisotropie erreicht.
  • Die Vorspannungsabhängigkeit der Tunnelmagnetowiderstandsänderungsrate der Probe wird gemessen. Die Meßergebnisse sind in 27 gezeigt. In einem Element, bei dem ein ferromagnetischer Film durch ein nichtmagnetisches Element Mo getrennt ist, ist auch dann, wenn die Eingangsspannung erhöht wird, die Verringerung der Magnetowiderstandsrate schwach, und es kann eine hohe Ausgangsspannung erreicht werden. Ferner zeigte der Magnetowiderstand des Co50Fe30Ni20, das durch Mo getrennt ist, eine steile Änderung bei einem Magnetfeld, das nur 15 Oe beträgt, und ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten als Magnetowiderstandskopf magnetischer Sensor und Magnetspeicherelement wurde sichtbar.
  • BEISPIEL 7 (GEEIGNET ZUM VERSTÄNDNIS DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG)
  • Mit einer Kathodenstrahlzerstäubungsvorrichtung wird auf einem Glassubstrat mit Co-Fe-Nb-Si-B als Target eine Kathodenzerstäubung unter der Bedingung eines Ar-Gasdruckes von 0,13 Pa (1 × 10–3 Ton) ausgeführt. Danach erfolgt für 30 min ein Ausheilen bei 500°C, um eine Nanokristallschicht mit einer Filmdicke von 100 nm auszubilden. Nach der Ausbildung eines Al-Films mit einer Dicke von 1 nm auf dieser wurde Ar + O2-Gas in eine Kammer eingeleitet, um eine Plasmaoxidation durchzuführen, um einen Al2O3-Film auszubilden.
  • Auf dem Al2O3-Film wird Ag (3 nm)/Co (5 nm) gestapelt, um eine Probe auszubilden. Um die Magnetisierung der Ag(3 nm)/Co(5 nm)-Schicht festzuhalten, wird darauf weiter eine Ag-Schicht mit einer Dicke von 100 nm als Gap-Schicht ausgebildet, nachdem ein FeMn-Film mit einer Dicke von 7 nm ausgebildet worden ist. Danach wird die Probe in einem Magnetfeld wärmebehandelt, um eine uniaxiale Anisotropie zu erzeugen, und direkt über der Blocktemperatur des FeMn wird die Richtung des Magnetfeldes um 90° gedreht, und die Temperatur wird auf Raumtemperatur heruntergesetzt. durch diese Wärmebehandlung in einem Magnetfeld wird Ag in das Co als ferromagnetischer Film diffundiert. durch Schnitt-durchstrahlungselektronemikroskopuntersuchung wird ersichtlich, daß dabei eine Struktur erreicht wird, bei der ein ferromagnetischer Film eine Nanokristallschicht ist und die andere ferromagnetische Schicht durch Ag getrennt ist.
  • Die Vorspannungsabhängigkeit der Tunnelmagnetowiderstandsänderungsrate der Probe wird gemessen. Die Meßergebnisse sind in 28 dargestellt. Wie aus 28 hervorgeht, hat das Element in dieser Ausführungsform auch dann, wenn die Eingangsspannung erhöht wird, nur eine schwache Verringerung der Magnetowiderstandsänderungsrate und eine hohe Ausgangsspannung. Der Magnetowiderstand der Nanokristallschicht zeigte bei einem Magnetfeld, das nur etwa 3 Oe beträgt, eine steile Änderung, und es zeigte sich ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten als Magnetowiderstandskopf magnetischer Sensor und magnetisches Speicherelement.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 8
  • Mit einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung wird auf einem SiO2-Substrat ein Cr-Film in einer Dicke von 100 nm ausgebildet, und darauf wird ein gekörnter magnetischer Film ausgebildet. Der gekörnte magnetische Film wird mit einer Co90Fe10-Legierung und Al2O3 als Targets durch gleichzeitige Kathodenzerstäubung unter der Bedingung eines Ar-Gasdruckes von 0,13 Pa (1 × 10–3 Ton) und einer Substratvorbelastung von 300 W ausgebildet. Im Ergebnis wird ein gekörnter magnetischer Film erreicht, bei dem CoFe-Legierungspartikel in Al2O3 dispergiert sind und der eine Filmdicke von 15 nm hat. Im Ergebnis der Messung der magnetischen Eigenschaften wurde, obwohl der gekörnte magnetische Film eine Koerzitivkraft hatte, die nur etwa 30 Oe betrug, eine ferromagnetische Hysteresekurve mit einer deutlichen Quadratform erreicht, und es wurde kein superparamagnetisches Verhalten beobachtet.
  • Auf dem gekörnten Magnetfilm wurde Ag (3 nm)/Co80Pt20 (5 nm) gestapelt, und eine Ag-Schicht von 100 nm Dicke wurde als Gap-Schicht ausgebildet, um eine Probe herzustellen. Danach wurde die Probe bei 300°C in einem Magnetfeld wärmebehandelt, um eine uniaxiale Anisotropie zu erzeugen. Durch diese Wärmebehandlung in einem Magnetfeld wurde Ag in die Korngrenzen des Co80Pt20 als ferromagnetischer Film diffundiert. Durch die Schnitt-Durchstrahlungselektronenmikroskopuntersuchung wurde deutlich, daß der ferromagnetische Film durch Ag getrennt war.
  • Die Vorspannungsabhängigkeit der Tunnelmagnetowiderstandsänderungsrate der Probe wurde gemessen. Die Meßergebnisse sind in 29 gezeigt. Wie aus 29 hervorgeht, ist auch dann, wenn die Spannung, die in das Element eingegeben wird, erhöht wird, die Verringerung der Magnetowiderstandsänderungsrate schwach, es kann und eine hohe Ausgangsspannung erreicht werden. Ferner zeigte ein gekörnter magnetischer Film eine steile Änderung des Magnetowiderstands bei einem Magnetfeld, das von nur etwa 30 Oe betrug, und es zeigte sich ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten als Magnetowiderstandskopf magnetischer Sensor und magnetisches Speicherelement.

Claims (14)

  1. Magnetisches Element (1) mit: einem gekörnten Magnetfilm (3), der eine dielektrischen Matrix (6) und feine ferromagnetische Partikel (7) umfaßt, die in der dielektrischen Matrix (6) dispergiert sind, und der bei Raumtemperatur eine Koerzitivkraft besitzt; und einem ersten ferromagnetischen Film (4, 4a), der angrenzend an den gekörnten Magnetfilm (3) angeordnet ist, um einen ferromagnetischen Übergang mit dem gekörnten Magnetfilm (3) zu bilden.
  2. Magnetisches Element (1) nach Anspruch 1, das ferner umfaßt: einen zweiten ferromagnetischen Film (4b), wobei der zweite ferromagnetische Film (4b) vorgesehen ist, um den gekörnten Magnetfilm (3) zwischen dem ersten und dem zweiten ferromagnetischen Film (4a, 4b) anzuordnen und den ferromagnetischen Tunnelübergang zwischen dem ersten ferromagnetischen Film (4a), dem gekörnten Magnetfilm (3) und dem zweiten ferromagnetischen Film (4b) zu bilden.
  3. Magnetisches Element (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich ein Magnetoresistenzeffekt dadurch zeigt, daß die Spinrichtung des gekörnten Magnetfilms (3) oder des ersten ferromagnetischen Films (4, 4a) mittels eines externen Magnetfelds geändert wird.
  4. Magnetisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der gekörnte Magnetfilm (3) und der erste ferromagnetische Film (4, 4a) auf einem Substrat (2) entlang einer Fläche eines Substrats (2) angeordnet sind.
  5. Magnetisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die feinen ferromagnetischen Partikel (7) Partikeldurchmesser im Bereich von 5 bis 10 nm besitzen und mit einem Abstand von 3 nm oder weniger in der dielektrischen Matrix (6) dispergiert sind.
  6. Magnetisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die feinen ferromagnetischen Partikel (7) in Schichten in der dielektrischen Matrix (6) angeordnet sind.
  7. Magnetisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste ferromagnetische Film (4, 4a) ein Laminatfilm ist, der zwei ferromagnetische Schichten (12, 13) und eine nichtmagnetische Schicht (11) umfaßt, die zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten (12, 13) angeordnet ist, wobei die Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen Schichten (12, 13) so gekoppelt sind, daß sie antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
  8. Magnetisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: einem magnetischen Vormagnetisierungsfilm, der dem gekörnten Magnetfilm (3) oder dem ersten ferromagnetischen Film (4, 4a) ein Vormagnetisierungsmagnetfeld verleiht.
  9. Magnetisches Element (1) nach Anspruch 8, wobei der Vormagnetisierungsmagnetfilm einen hartmagnetischen Film (8), einen antiferromagnetischen Film (10) oder einen antiferromagnetischen austauschgekoppelten Film umfaßt.
  10. Magnetisches Element (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste ferromagnetische Film (4, 4a) durch ein nichtmagnetisches Material (15) in eine Vielzahl von ferromagnetischen Bereichen in einer Filmebenenrichtung geteilt ist, wobei das nichtmagnetische Material (15) in dem ersten ferromagnetischen Film (4, 4a) vorgesehen ist, um den ersten ferromagnetischen Film (4, 4a) in eine Vielzahl von ferromagnetischen Bereichen zu teilen und die Austauschwechselwirkung zwischen magnetischen Partikeln im ersten ferromagnetischen Film (4, 4a) zu schwächen.
  11. Magnetisches Element nach Anspruch 10, wobei das nichtmagnetische Material (15) entlang der Korngrenzen von magnetischen Partikeln im ersten ferromagnetischen Film (4, 4a) vorgesehen ist.
  12. Magnetisches Element nach Anspruch 1, wobei der erste ferromagnetische Film (4, 4a) eine ferromagnetische Schicht und eine mit der ferromagnetischen Schicht gestapelte nichtmagnetische Schicht umfaßt.
  13. Magnetkopf mit: einem magnetischen Element (1) nach Anspruch 1; und einer Elektrode, die mit dem magnetischen Element (1) gekoppelt ist.
  14. Magnetspeichervorrichtung mit: einem magnetischen Element (1) nach Anspruch 1; einer ersten Elektrode, die dem magnetischen Element (1) ein aktuelles magnetisches Feld verleiht, und einer zweiten Elektrode, die mit dem magnetischen Element (1) gekoppelt ist.
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