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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen magnetische Tunnelübergangsvorrichtungen
(MTJ-Vorrichtungen) und im Besonderen eine MTJ-Vorrichtung zur Verwendung
als Magnetowiderstands-Lesekopf (MR-Lesekopf) zum Abfühlen von
magnetisch aufgezeichneten Daten.
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Eine
magnetische Tunnelübergangsvorrichtung
(MTJ) umfasst zwei ferromagnetische Schichten, die durch eine dünne, isolierende
Tunnelsperrschicht getrennt werden und beruht auf dem Phänomen der
spinpolarisierten Elektronentunnelung. Eine der ferromagnetischen
Schichten hat in einer Richtung des angelegten magnetischen Felds
ein höheres
Sättigungsfeld,
was üblicherweise
auf die im Vergleich zur anderen ferromagnetischen Schicht höhere Koerzitivfeldstärke dieser
Schicht zurück
zu führen ist.
Die isolierende Tunnelsperrschicht ist dünn genug, dass quantenmechanische
Tunnelung zwischen den ferromagnetischen Schichten entsteht. Dieses Tunnelungsphänomen ist
vom Elektronenspin abhängig,
was die magnetische Antwort des MTJ zu einer Funktion von den relativen
Ausrichtungen und Spinpolarisierungen der beiden ferromagnetischen Schichten
werden lässt.
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MTJ-Vorrichtungen
sind primär
als Speicherzellen für
Festkörperspeicher
vorgesehen. Der Zustand einer MTJ-Speicherzelle wird durch Messen des
MTJ-Widerstands, wenn ein Abfühlstrom
senkrecht durch den MTJ von einer ferromagnetischen Schicht zur
anderen fließt,
bestimmt. Die Wahrscheinlichkeit einer Tunnelung der Ladungsträger durch
die isolierende Tunnelsperrschicht hängt von der relativen Ausrichtung
der magnetischen Momente (Magnetisierungsrichtungen) der beiden
ferromagnetischen Schichten ab. Der Tunnelstrom ist spinpolarisiert,
was bedeutet, dass der von einer der ferromagnetischen Schichten,
etwa einer Schicht deren magnetisches Moment festgelegt oder an
der Drehung gehindert ist, hindurchtretende elektrische Strom überwiegend
aus Elektronen eines Spintyps (Spin-Up oder Spin-Down, je nach Ausrichtung
des magnetischen Moments der ferromagnetischen Schicht) besteht.
Der Spinpolarisierungsgrad des Tunnelstroms wird durch die elektronische
Bandstruktur des Magnetwerkstoffs bestimmt, das die ferromagnetische
Schicht an der Grenzfläche
der ferromagnetischen Schicht mit der Tunnelsperrschicht umfasst.
Die erste ferromagnetische Schicht agiert daher als Spinfilter.
Die Wahrscheinlichkeit einer Tunnelung der Ladungsträger ist
abhängig
von der Verfügbarkeit
der Elektronenzustände
mit der gleichen Spinpolarisierung wie die Spinpolarisierung des
elektronischen Stroms in der zweiten ferromagnetischen Schicht.
Wenn das magnetische Moment der zweiten ferromagnetischen Schicht
parallel zum magnetischen Moment der ersten ferromagnetischen Schicht ist,
sind üblicherweise
mehr Elektronenzustände
verfügbar,
als wenn das magnetische Moment der zweiten ferromagnetischen Schicht
antiparallel zu jenem der ersten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist.
Demzufolge ist die Tunnelungswahrscheinlichkeit der Ladungsträger am höchsten,
wenn die magnetischen Momente beider Schichten parallel sind und am
niedrigsten, wenn die magnetischen Momente beider Schichten antiparallel
sind. Wenn die Momente weder parallel noch antiparallel angeordnet
sind, nimmt die Tunnelungswahrscheinlichkeit einen Zwischenwert
an. Der elektrische Widerstand der MTJ-Speicherzelle hängt sowohl
von der Spinpolarisierung des elektrischen Stroms, als auch den
Elektronenzuständen
in beiden ferromagnetischen Schichten ab. Daraus ergibt sich, dass
die beiden möglichen
Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schicht, deren Magnetisierungsrichtung nicht
festgelegt ist, eindeutig zwei mögliche
Bitzustände
(0 oder 1) der Speicherzelle definieren.
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Ein
Magnetowiderstands-Sensor (MR-Sensor) detektiert Magnetfeldsignale
durch die Widerstandsveränderungen
eines Sensors aus Magnetwerkstoff in Abhängigkeit von der Stärke und
der Richtung des vom Sensor registrierten Magnetflusses. Herkömmliche
MR-Sensoren, wie z. B. jene, die als Magnetowiderstands-Leseköpfe zum
Abfühlen von
Daten in Magnetaufzeichnungs-Laufwerken, arbeiten mittels eines
anisotropen Magnetwiderstands-Effekts (AMR-Effekts) des Magnetwerkstoff-Volumens,
das üblicherweise
aus Permalloy (Ni81Fe19)
ist. Ein Bestandteil des Widerstands der Leseeinheit variiert wie
der Kosinuswinkel des Winkels zwischen der Magnetisierungsrichtung
der Leseeinheit und der Richtung des Abfühlstroms durch die Leseeinheit.
Die aufgezeichneten Daten können von
einem Magnetmedium, wie etwa von einer Platte in einem Plattenlaufwerk,
gelesen werden, da das äußere Magnetfeld
vom aufgezeichneten Magnetmedium (Nutzfeld) eine Richtungsänderung
der Magnetisierung der Leseeinheit bewirkt, die wiederum eine Widerstandsänderung
der Leseeinheit verursacht und eine entsprechende Änderung
im abgefühlten Strom
oder Spannung hervorruft. In herkömmlichen MR-Leseköpfen fließt der Abfühlstrom, Spannung hervorruft.
In herkömmlichen
MR-Leseköpfen
fließt der
Abfühlstrom,
im Gegensatz zu MTJ-Vorrichtungen, in paralleler Ausrichtung zur
ferromagnetischen Schicht der Leseeinheit.
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Die
Verwendung einer MTJ-Vorrichtung als Magnetowiderstands-Lesekopf
zur Magnetaufzeichnung wird auch im Patent US-A-5.390.061 erläutert. In
diesem MTJ-Lesekopf
umfassen die freien und die festgelegten ferromagnetischen Schichten
Seitenränder,
die nicht über
den Seitenrand der isolierenden Tunnelsperrschicht hinausgehen.
In einer Magnetaufzeichnungs-Vorrichtung fühlt der Lesekopf den Fluss
von einem kleinen magnetisierten Bereich oder magnetischen Bits
ab, die auf ein Dünnfilm-Magnetmedium
geschrieben werden, über
dem der Kopf aufgehängt
ist. Plattenlaufwerke mit erhöhter
Kapazität werden
teilweise durch höhere
Magnetbit-Aufzeichnungsdichten
erzielt. Daher muss der Bereich jedes Magnetbereichs oder Magnetbits
verringert werden, wodurch jedoch verringerte Magnetflüsse vermehrt entstehen.
Magnetaufnahmeköpfe,
die verringerte Magnetflüsse
mit einem größeren Ausgangssignal abfühlen können, werden
daher für
Plattenlaufwerke mit höherer
Magnetaufzeichnungsleistung und -kapazität benötigt. Verbesserte Magnetaufnahmeköpfe können durch
das Entwickeln von MTJ-Strukturen mit höheren Magnetowiderstands-Koeffizienten
geschaffen werden. Die MR-Koeffizienten werden jedoch durch die
immanenten elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Materialien
bestimmt, die den MTJ bilden.
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Hier
wird ein MTJ-MR-Lesekopf für
ein Magnetaufzeichnungssystem benötigt, um größere Ausgangssignale für denselben
Eingangsmagnetfluss für den
ansonsten gleichen Satz magnetischer und elektrischer Werkstoffe,
aus denen der MTJ entwickelt wurde, ausgeben zu können.
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Patent
Nr. EP-0791916 offenbart einen Dünnfilm-Magnetkopf
und mit einer Magnetowiderstands-Vorrichtung zwischen oberen und
unteren Abschirmungsabschnitten. Die Magnetowiderstands-Vorrichtung
umfasst eine Schichtstruktur einschließlich einer hartmagnetischen
Schicht, einer weichmagnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen
Schicht, die dazwischen angeordnet sind.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetowiderstands-Lesekopf
mit magnetischem Tunnelübergang,
wie in Anspruch 1 beschrieben. Gemäß der Erfindung agiert die
freie ferromagnetische Schicht auch als rückseitiger Magnetkreis, um
den Magnetfluss vom Magnetaufzeichnungsmedium zum Tunnelübergang
zu leiten. In einer Ausführungsform des
Magnetaufzeichnungs-Plattenlaufwerks sind die Ränder der festgelegten ferromagnetischen
Schicht, der Tunnelsperrschicht und der freien ferromagnetischen
Schicht gegenüber
der luftgelagerten Oberfläche
(ABS) freiliegend. Sowohl die freie als auch die festgelegte ferromagnetische
Schicht stehen in Kontakt mit den gegenüberliegenden Oberflächen der Tunnelsperrschicht,
aber die freie ferromagnetische Schicht erstreckt sich über den
hinteren Rand einer Schicht hinaus, entweder der Tunnelsperrschicht oder
der festgelegten ferromagnetischen Schicht, je nachdem welcher hintere
Rand sich näher
an der Abfühlfläche befindet.
Dadurch wird gewährleistet,
dass der Magnetfluss im Tunnelübergangsbereich
ungleich null ist. Die Magnetisierungsrichtung der festgelegten
ferromagnetischen Schicht ist im Wesentlichen senkrecht zur ABS
und somit auch zur Plattenoberfläche
stehend festgelegt, vorzugsweise durch Grenzflächen-Austauschkopplung mit
einer antiferromagnetischen Schicht. Die Magnetisierungsrichtung der
freien ferromagnetischen Schicht ist in Abwesenheit eines angelegten
Magnetfeldes im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der
ABS ausgerichtet und kann sich in Gegenwart eines von der Magnetaufzeichnungsplatte
angelegten Magnetfeldes frei drehen. Eine Schicht aus magnetisch
hartem, hoch koerzitiven Werkstoff, die an die Seiten der freien
ferromagnetischen Schicht angrenzt, magnetisiert die Magnetisierung
der freien ferromagnetischen Schicht in der gewünschten Richtung longitudinal
vor.
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Der
MTJ-MR-Lesekopf kann als Teil einer integrierten Schreib-/Lesekopfstruktur
sein, in der elektrisch leitende Magnetabschirmungen auf beiden Seiten
des MTJ-MR-Lesekopfs
angebracht sind. Die elektrischen Zuleitungen zur Abfühlschaltungsanordnung
sind auf den beiden Abschirmungen ausgebildet, wobei ein elektrischer
Pfad von den Abschirmungen durch die Zuleitungen zur festgelegten
und zur freien ferromagnetischen Schicht des Tunnelübergangs
bereitgestellt wird.
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Zum
besseren Verständnis
der Art der vorliegenden Erfindung sowie ihrer Vorteile, wird im
Folgenden auf die detaillierte Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen.
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1 ist
ein einfaches Blockdiagramm eines herkömmlichen Magnetaufzeichnungs-Plattenlaufwerks,
das zusammen mit einem eingelassenen MTJ-MR-Lesekopf gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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2 ist
eine Draufsicht des Plattenlaufwerks von 1 mit abgenommener
Abdeckung.
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3 ist
ein vertikaler Querschnitt eines herkömmlichen integrierten, induktiven
Schreibkopfs/MR-Lesekopfs, wobei der MR-Lesekopf zwischen den Abschirmungen
und angrenzend an den induktiven Schreibkopf positioniert ist, um
zu veranschaulichen, wo der MTJ-MR-Lesekopf der vorliegenden Erfindung
angeordnet wäre.
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4 ist
eine Querschnittsansicht des MTJ-MR-Lesekopf der vorliegenden Erfindung
durch den Tunnelübergang
hindurch, wodurch die senkrechte Richtung des Stromflusses durch
den Tunnelübergang
veranschaulicht wird.
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5 ist
eine Schnittansicht des durch den rückseitigen Fluss geführten MTJ-MR-Lesekopfs zur Veranschaulichung
der Position der verschiedenen Schichten hinsichtlich des Abfühlendabschnitts
des Kopfes (der luftgelagerten Oberfläche).
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6A–6N stellen
die Herstellungsschritte des durch den rückseitigen Fluss geführten MTJ-MR-Lesekopfs
der vorliegenden Erfindung dar.
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7 ist
eine Abbildung der Abfühlfläche, die
den vorderen Rand der MTJ-Vorrichtung
und die Ränder
der longitudinal vormagnetisierten ferromagnetischen Schichten veranschaulicht.
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Stand der
Technik
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Bezugnehmend
auf 1 wird in Schnittansicht eine schematische Darstellung
eines Plattenlaufwerks gemäß Stand
der Technik, vom Typ derer die MR-Sensoren verwenden, gezeigt. Das
Laufwerk umfasst eine Basis 10, an der ein Laufwerksmotor 12 und
ein Aktuator 14 sowie eine Abdeckung 11 befestigt
sind. Die Basis 10 und die Abdeckung 11 stellen ein
im Wesentlichen abgedichtetes Gehäuse für das Laufwerk bereit. Herkömmlicherweise
ist eine Dichtung 13 zwischen der Basis 10 und
der Abdeckung 11 angeordnet und ein kleines Lüftungsloch
(nicht abgebildet) befindet sich zum Druckausgleich zwischen dem
Inneren des Laufwerks und der äußeren Umgebung.
Eine Magnetaufzeichnungsplatte 16 ist mit dem Laufwerksmotor 12 durch
eine Nabe 18 verbunden, an der zum Drehen der Laufwerksmotor 12 angeschlossen
ist. Ein dünner
Schmierfilm 50 befindet sich auf der Oberfläche der
Platte 16. Ein Schreib-/Lesekopf oder Wandler 25 ist
auf dem hinteren Ende eines Kopfträgers, wie z. B. eines luftgelagerten
Gleitstücks 20 ausgebildet.
Wandler 25 ist ein Lese-/Schreibkopf
und umfasst einen induktiven Schreibkopfteil und einen MR-Lesekopfteil, wie
unter Bezugnahme auf 3 näher erläutert wird. Das Gleitstück 20 ist
mit dem Aktuator 14 durch einen starren Arm 22 und
eine Aufhängung 24 verbunden. Die
Aufhängung 24 stellt
eine Vormagnetisierungskraft bereit, die das Gleitstück 20 auf
die Oberfläche der
Aufzeichnungsplatte 16 drückt. Während des Laufwerksbetriebs
dreht der Laufwerksmotor 12 die Platte 16 mit
konstanter Geschwindigkeit und der Aktuator 14, üblicherweise
ein linearer oder Rotations-Schwingspulenmotor (VCM), bewegt das
Gleitstück 20 im
Wesentlichen radial über
die Oberfläche der
Platte 16, so dass der Lese-/Schreibkopf 25 auf verschiedene
Datenspuren auf der Platte 16 zugreifen kann.
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2 ist
eine Draufsicht des Laufwerksinneren, wobei die Abdeckung 11 entfernt
ist, zur detailgenauen Veranschaulichung der Aufhängung 24,
die eine Kraft bereit stellt, um das Gleitstück 20 Richtung Platte 16 zu
bewegen. Die Aufhängung
kann ein herkömmliches
Aufhängungsmodell
sein, wie etwa die bekannte Watrous-Aufhängung, wie im IBM Patent US-A-4.167.765
offenbart. Diese Aufhängungsart stellt
ebenfalls eine Kardanaufhängung
des Gleitstücks
bereit, die es dem Gleitstück
ermöglicht, während seiner
Bewegung mittels Luftlagerung zu nicken und zu rollen. Die von der
Platte 16 durch den Wandler 25 gelesenen Daten
werden in ein Datenauslesesignal durch Signalverstärkung und
Verarbeitungsschaltung in dem am Arm 22 ausgebildeten Chip
mit integriertem Schaltkreis 15 weiterverarbeitet. Die
Signale vom Wandler 25 bewegen sich mit Hilfe eines flexiblen
Kabels 17 zum Chip 15, dessen Ausgabesignale zur
Laufwerkssteuerung (nicht abgebildet) mittels Kabel 19 gesendet
werden.
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3 ist
ein senkrechter Querschnitt des integrierten Schreib-/Lesekopfs 25,
der einen MR-Lesekopfteil und einen induktiven Schreibkopfteil umfasst.
Der Kopf 25 ist geläppt,
um eine luftgelagerte Oberfläche
(ABS) auszubilden, wobei die ABS von der Oberfläche der drehenden Platte 16 (1) durch
die Luftlagerung, wie zuvor erläutert,
beabstandet ist. Der Lesekopf umfasst einen MR-Sensor 40,
der sich zwischen einer ersten und einer zweiten Spaltschicht G1,
G2 befindet, die wiederum zwischen der ersten und der zweiten Magnetabschirmungsschicht
S1, S2 positioniert sind. In einem herkömmlichen Laufwerk ist der MR-Sensor 40 ein
AMR-Sensor. Der Schreibkopf umfasst eine Spulenschicht C und eine
Isolierschicht I2, die sich zwischen den Isolierschichten I1 und
I3 befinden, welche wiederum zwischen dem ersten und dem zweiten
Polschuh P1, P2 positioniert sind. Eine Spaltschicht G3 ist zwischen
dem ersten und dem zweiten Polschuh P1, P2 an deren Polspitzen angrenzend
an die ABS platziert, um einen Magnetluftspalt bereit zu stellen.
Während des
Schreibens wird der Signalstrom durch die Spulenschicht C geleitet
und der Fluss in die erste und die zweite Polschicht P1, P2 induziert,
was dazu führt,
dass der Fluss an der ABS sich über
die Polspitzen aufteilt. Dieser Fluss magnetisiert kreisförmige Spuren
auf der rotierenden Platte 16 während des Schreibvorgangs.
Während
eines Lesevorgangs injizieren magnetisierte Bereiche der drehenden
Platte 16 einen Fluss in den MR-Sensor 40 des
Lesekopfs, was zu Widerstandsveränderungen
im MR-Sensor 40 führt. Diese
Widerstandsveränderungen
werden durch Detektion der Spannungsänderungen am MR-Sensor 40 erfasst.
Die Spannungsänderungen werden
durch den Chip 15 (2) und die
Laufwerkssteuerung weiterverarbeitet und in Benutzerdaten umgewandelt.
Die Schreib-/Lesekopf-Kombination, abgebildet in 3,
ist ein "fusionierter" Kopf, in dem die
zweite Abschirmungsschicht S2 des Lesekopfs als erster Polschuh
P1 für
den Schreibkopf verwendet wird. In einem Hucke packkopf (nicht abgebildet)
sind die zweite Abschirmungsschicht S2 und der erste Polschuh P1
separate Schichten.
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Die
oben erwähnte
Beschreibung eines herkömmlichen
Magnetaufzeichnungs-Plattenlaufwerks mit
einem AMR-Lesekopf, samt den dazugehörigen 1–3,
wurden lediglich zur besseren Veranschaulichung erläutert. Plattenlaufwerke
können
eine große
Anzahl an Platten und Aktuatoren enthalten und jeder Aktuator kann
einige Gleitstücke
unterstützen.
Außerdem
kann der Kopfträger,
anstatt aus einem luftgetragenen Gleitstück, so gefertigt sein, dass er
den Kopf in Kontakt oder nahem Kontakt zur Platte hält, wie
etwa bei einem Flüssigkeitslager
oder einem anderen den Kopf in Kontakt oder nahem Kontakt zur Platte
haltenden Aufzeichnungslaufwerken der Fall ist.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung ist ein MR-Lesekopf mit einem MTJ-Sensor zur
Verwendung anstelle eines MR-Sensors 40 im Lese-/Schreibkopf 25 der 3.
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4 ist
eine Schnittansicht eines MTJ-MR-Lesekopfs gemäß der vorliegenden Erfindung,
wie diese aussehen würde,
wenn der Schnitt durch eine ebene Fläche hindurch, deren Kante in 3 als
Linie 42 und aus Sicht der Plattenoberfläche ausgeführt wäre. Daher
ist die Papierebene der 4A eine ebene
Fläche,
die parallel zur ABS und im wesentlichen durch den aktiven Abfühlbereich, etwa
den Tunnelübergang,
des MTJ-MR-Lesekopfs verläuft,
um die den Kopf bildenden Schichten zu zeigen.
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Bezugnehmend
auf 4 umfasst der MTJ-MR-Lesekopf eine elektrische
Zuleitung 102, die direkt auf dem Substrat der Spaltschicht
G1 ausgebildet ist, eine unterhalb der Spaltschicht G2 ausgebildete
elektrische Zuleitung 104 und den MTJ 100, der
als Schichtenstapel zwischen den elektrischen Zuleitungen 102, 104 ausgebildet
ist.
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Der
MTJ 100 umfasst einen ersten vielschichtigen Stapel Elektroden 110,
eine isolierende Tunnelsperrschicht 120 und einen oberen
Stapel Elektroden 130. Jede Elektrode beinhaltet eine ferromagnetische
Schicht in direktem Kontakt zur Tunnelsperrschicht 120,
also die ferromagnetischen Schichten 118 und 132.
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Der
untere Elektrodenstapel 110 ist auf der elektrischen Zuleitung 102 ausgebildet
und umfasst eine Keim- oder "Templatschicht" 112 auf
der Zuleitung 102, eine Schicht antiferromagnetischen Materials 116 auf
der Templatschicht 112 und eine "festgelegte" ferromagnetische Schicht 118,
die auf der darunter liegenden, antiferromagnetischen Schicht 116 ausgebildet
und mit dieser austauschgekoppelt ist. Die ferromagnetische Schicht 118 wird
als festgelegte Schicht bezeichnet, da deren magnetisches Moment
oder deren Magnetisierungsrichtung vom Drehen in Gegenwart eines
angelegten magnetischen Felds im gewünschten interessierenden Bereich
gehindert wird. Der Topelektrodenstapel 130 umfasst eine "freie" oder "abfühlende" ferromagnetische Schicht 132 und
eine Schutz- oder Deckschicht 134, die auf der Abfühlschicht 132 ausgebildet
ist. Die ferromagnetische Abfühlschicht 132 ist
nicht mit einer antiferromagnetischen Schicht austauschgekoppelt und
ihre Magnetisierungsrichtung ist somit frei in Gegenwart eines angelegten
Magnetfelds im gewünschten
Bereich drehbar. Die ferromagnetische Abfühlschicht 132 ist
so gefertigt, dass ihr magnetisches Moment oder ihre Magnetisierungsrichtung (mittels
Pfeil 133 dargestellt) im wesentlichen parallel zur ABS
(die ABS ist eine zur Papierebene in 4A parallele
Ebene) und im wesentlichen senkrecht zur Magnetisierungsrichtung
der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 in Abwesenheit
eines angelegten Magnetfelds ausgerichtet ist. Die Magnetisierungsrichtung
der im Elektrodenstapel 110 knapp unterhalb der Tunnelsperrschicht 120 festgelegten
ferromagnetischen Schicht 118 wird durch eine Grenzflächen-Austauschkopplung
mit der direkt darunter liegenden antiferromagnetischen Schicht 116 festgelegt,
die auch ein Teil des unteren Elektrodenstapels 110 ist.
Die Magnetisierungsrichtung der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 ist
im wesentlichen senkrecht zur ABS, also aus oder in die Papierebene der 4A, ausgerichtet (wie durch das Pfeilende 119 gekennzeichnet).
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Ebenfalls
in 4 abgebildet ist die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 zur
longitudinalen Vormagnetisierung der Magnetisierung der ferromagnetischen
Abfühlschicht 132 sowie
eine Isolationsschicht 160, die die Vormagnetisierungsschicht 150 von
der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 und
anderen Schichten des MTJ 100 trennt und isoliert. Die
ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 ist aus
hartem Magnetwerkstoff, wie etwa aus einer CoPtCr-Legierung, deren
magnetisches Moment (mithilfe des Pfeils 151 dargestellt)
in derselben Richtung wie das magnetische Moment 133 der ferromagnetischen
Abfühlschicht 132 in
Abwesenheit eines angelegten magnetischen Feldes ausgerichtet ist.
Die Isolierschicht 160, die vorzugsweise aus Aluminiumoxid
(Al2O3) oder Siliziumdioxid
(SiO2) besteht, hat eine ausreichende Dicke,
um die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 vom
MTJ 100 und den elektrischen Zuleitungen 102, 104 zu isolieren,
aber ist noch dünn
genug, um die magnetostatische Kopplung (mit dem gestrichelten Pfeil 153 angezeigt)
mit der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 zuzulassen.
Das Produkt M·t
(wobei M das magnetische Moment pro Flächeneinheit des Materials in der
ferromagnetischen Schicht und t die Dicke der ferromagnetischen
Schicht ist) der ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht 150 muss
größer als
oder gleich M·t
der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 sein,
um eine stabile, longitudinale Vormagnetisierung zu gewährleisten.
Da das magnetische Moment von Ni(100-x)-Fe(x) (x entspricht etwa 19), das üblicherweise
in der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 verwendet
wird, etwa zwei mal so groß ist wie
das magnetische Moment eines herkömmlichen hartmagnetischen Werkstoffs
zur Verwendung in der ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht 150 ist,
wie z. B. CO75Pt13Cr12, ist die Dicke der ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht 150 mindestens
ungefähr
zweimal so breit wie die der ferromagnetischen Abfühlschicht 132.
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Ein
Abfühlstrom
I wird von der ersten elektrischen Zuleitung 102 senkrecht
durch die antiferromagnetische Schicht 116, die festgelegte
ferromagnetische Schicht 118, die Tunnelsperrschicht 120 und die
ferromagnetischen Abfühlschicht 132 sowie
dann zur zweiten elektrischen Zuleitung 104 geleitet. Wie zuvor
erläutert,
ist die durch die Tunnelsperrschicht 120 geleitete Tunnelstrommenge
eine Funktion der relativen Magnetisierungsrichtungen der festgelegten
ferromagnetischen Schicht 118 und der ferromagnetischen
Abfühlschicht 132,
die an die Tunnelsperrschicht 120 angrenzen und zu ihr
in Kontakt stehen. Das Magnetfeld der aufgezeichneten Daten bringt
die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 dazu
sich von Richtung 133 weg zu drehen, also entweder in oder
aus der Papierebene in 4. Diese verändert die relative Ausrichtung
des magnetischen Moments der ferromagnetischen Schichten 118, 132 und
somit auch die Tunnelstrommenge, deren Änderung als Veränderung
im elektrischen Widerstand des MTJ 100 zu erkennen ist.
Diese Widerstandsänderungen
werden von der Plattenlaufwerkssteuerung entdeckt und die von der Platte
abgerufenen Signale in Daten umgewandelt. Der Abfühlstrom
wird durch die elektrisch isolierende Schicht 160 daran
gehindert die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 zu
erreichen, welche auch die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 von
den elektrischen Zuleitungen 102, 104 isoliert.
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Ein
repräsentativer
Materialiensatz für
MTJ 100 (4) wird nun näher erläutert. Alle
Schichten des MTJ 100 entstehen in Gegenwart eines zur Oberfläche des
Substrats parallelen, Magnetfelds. Das Magnetfeld dient zur Ausrichtung
aller ferromagnetischen Schichten in ihrer bevorzugten Richtung. Eine
5 nm Ta-Keimschicht (nicht abgebildet) wird zuerst auf der 10–50 nm Au-Schicht
ausgebildet, die als elektrische Zuleitung 102 dient. Die
Keimschicht besteht aus einem Material, welches das (111)-Wachstum der kubisch
flächenzentrierten
(fcc) Ni81Fe19 Templatschicht 112 fördert. Die
ferromagnetische Templatschicht 112 verstärkt die
Bildung einer antiferromagnetischen Schicht 116. Zweckmäßiger Keimschichtwerkstoff
umfasst fcc-Metalle, wie Cu, als auch Ta oder eine Kombination von
Schichten, wie etwa 3–5
nm Ta/3–5
nm Cu. Der untere MTJ-Elektrodenstapel 110 umfasst einen
Stapel von 4 nm Ni81Fe19/10
nm Fe50Mn50/8 nm
Ni81Fe19 (Schichten 112, 116, 118,
in dieser Reihenfolge), die auf der Ta-Keimschicht entstanden sind,
die sich wiederum auf der 10–20
nm Au-Schicht 102 befindet. Die Au-Schicht 102 ist
direkt auf dem Spaltmaterial G1 aus Aluminium ausgebildet, das als
Substrat dient. Als nächstes
ist die Tunnelsperrschicht 120 durch Abscheidung und anschließende Plasmaoxidation
einer 0,5–2
nm Al-Schicht ausgebildet. Dies erzeugt eine aus Al2O3 bestehende, isolierende Tunnelsperrschicht 120.
Der obere Elektrodenstapel 130 besteht aus 5 nm Ni-Fe/10
nm Ta (Schichten 132, 134, in dieser Reihenfolge).
Die Ta-Schicht 134 dient als schützende Deck schicht. Der Topelektrodenstapel 130 hat Kontakt
zu einer 20 nm Au-Schicht, die als elektrische Zuleitung 104 verwendet
wird.
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Hier
ist anzumerken, dass der Widerstand der MTJ-Vorrichtung größtenteils
vom Widerstand der Tunnelsperrschicht 120 bestimmt wird,
da der Strom senkrecht durch die Schichten des MTJ 100 hindurchgeht.
Daher kann der Widerstand pro Flächeneinheit
der elektrisch leitenden Zuleitungen 102, 104 viel
größer sein,
als in herkömmlichen
MR-Leseköpfen,
in denen der Strom parallel zu den Schichten fließt. Demzufolge
können
die Zuleitungen 102, 104 dünner und/oder schmäler ausgeführt sein,
als in herkömmlichen
MR-Lesekopfstrukturen üblich
ist, und/oder aus tatsächlich
widerstandsfähigeren Werkstoffen
bestehen, etwa aus Legierungen oder Elementverbindungen.
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Es
ist wichtig, dass die Schichten im unteren Elektrodenstapel 110 glatt
sind und dass die Al2O3-Tunnelsperrschicht 120 keine
Korrosionsstellen hat, die den Übergang
elektrisch kurzschließen würden. Beispielsweise
ist eine Bildung durch Sputter-Techniken,
die dafür
bekannt sind, gute Riesen-Magnetwiderstands-Effekte in Vielschicht-Metallstapeln
zu erzeugen, ausreichend.
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Eine
alternative ferromagnetische Abfühlschicht 132 kann
aus einer dünnen
aus Co oder Co(100-x)Fe(x) oder
Ni(100-x)-Fe(x) (x
entspricht etwa 60) bestehenden Schicht sein, die an der Grenzfläche zwischen
der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 und
der Tunnelsperrschicht 120 liegt, mit der Masse der Schicht 132 aus
wenig magnetostriktivem Material, wie etwa Ni(100-x)-Fe(x) (x entspricht etwa 19). Die Netto-Magnetostriktion
dieses Abfühlschichttyps
mit einer dünnen
Grenzflächenschicht
aus Co oder Co(100-x)-Fe(x) oder
Ni(100-x)-Fe(x) (x
entspricht etwa 60) ist so angeordnet, dass sie einen Wert nahe
0 bei leichten Zusammensetzungsveränderungen der Masse der Schicht 132 hat.
Eine alternative festgelegte ferromagnetische Schicht 118 kann
größtenteils aus
einer Schicht mit einer Masse aus Ni(100-x)-Fe(x) mit einer dünnen Schicht aus Co oder Co(100-x)-Fe(x) oder
einer Schicht aus Ni(100-x)-Fe(x) (x
entspricht etwa 60) bestehen und an der Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht 120 positioniert
sein. Das größte Signal wird
mit Co oder Ni(100-x)-Fe(x) (x
entspricht etwa 60), mit der höchsten
Polarisierung, oder einer Co(100-x)-Fe(x)-Legierung (x entspricht etwa 70) erzielt. Die
Grenzfläche
ist am besten etwa 1–2
nm dick. Die Netto-Magnetostriktion der zusammengesetzten Schicht
ist so gestaltet, dass sie nahe bei 0 durch kleine Zusammensetzungsveränderungen
liegt. Wenn die Masse der Schicht 118 aus Ni-Fe besteht, dann
besteht die Zusammensetzung aus Ni81Fe19, einer Zusammensetzung, die für die Masse
Ni-Fe Null-Magnetostriktion aufweist.
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Die
aus Fe-Mn bestehende, antiferromagnetische Schicht 116 kann
mit einer Ni-Mn-Schicht
oder einer passenden, antiferromagnetischen Schicht ersetzt werden,
die den ferromagnetischen Werkstoff in der festgelegten Schicht 118 austauschvormagnetisiert
und die einen im Gegensatz zur Al2O3-Schicht 120 wesentlich geringeren
Widerstand hat. Außerdem
kann die festgelegte ferromagnetische Schicht aus magnetisch "hartem" hoch koerzitiven
Material bestehen, wodurch der Bedarf an einer antiferromagnetischen
Schicht nicht gegeben ist, wogegen das magnetische Moment der festgelegten
ferromagnetischen Schicht in der bevorzugten Ausführungsform durch
Grenzflächen-Austauschkopplung
festgelegt ist. Die harte, festgelegte ferromagnetische Schicht kann
somit aus einer Reihe ferromagnetischer Materialien bestehen, etwa
aus Co-Legierungen mit einem oder mehrerer anderer Elemente, inklusive
Legierungen aus Co-Pt-Cr-Legierungen, Co-Cr-Ta-Legierungen, Co-Cr-Legierungen,
Co-Sm-Legierungen, Co-Re-Legierungen, Co-Ru-Legierungen, Co-Ni-X
(X = Pt, Pd oder Cr)-Legierungen oder aus einer Reihe quarternärer Legierungen,
wie Co-Ni-Cr-Pt und Co-Pt-Cr-B.
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Während die
MTJ-Vorrichtung, wie in den 4A–4B beschrieben und dargestellt, die festgelegte
ferromagnetische Vorrichtung am Boden des MTJ 100 hat,
kann die Vorrichtung auch zuerst durch Abscheiden der ferromagnetischen
Abfühlschicht, dann
der Tunnelsperrschicht, der festgelegten ferromagnetischen Schicht
und der antiferromagnetischen Schicht ausgebildet werden. Bei einer
derartigen MTJ-Vorrichtung
wären die
Schichten dann im wesentlichen gegensätzlich zur Darstellung des
MTJ 100 wie in 4 angeordnet.
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In 5 ist
der durch den rückseitigen
Fluss geführte
MTJ-MR-Lesekopf der gegenständlichen Erfindung
in einer zur Ansicht in 4 senkrechten Schnittansicht
veranschaulicht und mit einer Abfühlfläche 200 oder ABS auf
der rechten Seite dargestellt. Damit die Beschreibung nicht zu kompliziert wird,
wurde auf die Abbildung der ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht 150 verzichtet
und im MTJ 100 sind nur die ferromagnetische Schicht, die antiferromagnetische
Schicht und die Tunnelsperrschicht dargestellt. Die ferromagnetische
Vormagnetisierungsschicht 132 hat einen mit der Abfühlfläche 200 oder
ABS im Wesentlichen koplanaren Abfühlrand 202 und einen
hinteren Rand 208. Die festgelegte ferromagnetische Schicht 118 hat
einen vorderen Rand 206, der im Wesentlichen koplanar mit
der Abfühlfläche 200 oder
ABS ist. Die antiferromagnetische Schicht 116 verfügt über an die
Ränder
der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 angrenzende
Ränder.
Die Tunnelsperrschicht 120 hat einen vorderen Rand 210,
der ebenfalls mit der Abfühlfläche 200 oder
ABS im Wesentlichen koplanar ist und der in hohem Maße mit dem
vorderen Rand 206 der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 koplanar
ist und über
einen hinteren Rand 212 verfügt. Der hintere Rand der ferromagnetischen
Abfühlschicht 203 reicht über den
hinteren Rand der Tunnelsperrschicht 212 oder der festgelegten
ferromagnetischen Schicht 208 hinaus, je nachdem welcher
hintere Rand näher an
der Abfühlfläche 200 liegt.
Die Zuleitung 102 ist auf der G1 Spaltschicht ausgebildet
und die G2 Spaltschicht trennt die Zuleitung 104 von der
Magnetabschirmung S2. Der Werkstoff für die Schichten G1 und G2 sowie
den Bereich hinter den hinteren Rändern 203, 208 und 212 ist
ein elektrisch leitendes Material, vorzugsweise Aluminium. Die Abfühlfläche 200 oder
ABS kann eine darauf ausgebildete, schützende Beschichtung aufweisen,
etwa eine dünne
Schicht amorphen, diamant-artigen Kohlenstoffs, wie gemäß dem Stand
der Technik zum Schutz des Kopfes, während dieser in Kontakt zur
Platte steht, bekannt ist.
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Wie
in 3 abgebildet, wird ein MR-Sensor, wie etwa Sensor 40,
zwischen den permeablen Magnetabschirmungen S1 und S2 angeordnet. Wenn
sich der MTJ-Lesekopf
in diesem Bereich befindet, wie in 5 dargestellt,
tritt der zu erfassende Magnetfluss an der luftgelagerten Oberfläche 200 in den
vorderen Rand 202 der freien ferromagnetischen Schicht 132 ein
und nimmt in Richtung des hinteren Rands 203 dieser Schicht
ab. Der Fluss ist darauf beschränkt,
am hinteren Rand 203 dieser Schicht 0 zu ergeben. Etwas
vom auftretenden Magnetfluss wird zu den Magnetabschirmungen S1
und S2 abgeleitet. Dieser Ableitungsverlust wird durch die Spaltenbreite g
von Abschirmung zu Abschirmung, die Permeabilität μ und die Dicke t der freien
ferromagnetischen Schicht 132 bestimmt. Der Magnetfluss
nimmt somit vom vorderen Rand der freien ferromagnetischen Schicht
mit einer charakteristischen Länge
l von (μtg/2)0,5 ab. Typische Parameter für einen
5 Gbit/in2 Sensor sind g = 200 nm, t = 5
nm und μ =
1000. Dies ergibt eine Abnahmelänge
l von 0,7 Mikron.
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In
dem älteren
Patent US-A-5.390.061, welches die Verwendung einer MTJ-Vorrichtung für einen
Magnetaufzeichnungslesekopf beschreibt, ist der hintere Rand der
freien ferromagnetischen Schicht an dem der festgelegten ferromagnetischen Schicht
angrenzend oder näher
an der ABS als der hintere Rand der festgelegten ferromagnetischen Schicht.
Für hochdichte
Aufzeichnungsanwendungen, in denen die Höhe des Sensors mit I vergleichbar
oder weniger ist (für
einen 5 Gbit/in2 Sensor beträgt die Sensorhöhe etwa
400 nm), wird der Magnetfluss auf 0 im aktiven Bereich des Sensors
(der Bereich zwischen der ABS 200 und dem hinteren Rand 212 der
Tunnelsperrschicht 120 oder dem hinteren Rand 208 der
festgelegten ferromagnetischen Schicht 118, je nachdem
welcher Rand sich näher
an der ABS 200 befindet) beschränkt. Durch Erweitern der freien
ferromagnetischen Schicht 132 über den aktiven Sensorbereich
hinaus durch Hinzufügen
einer Flussführung
am hinteren Rand der freien ferromagnetischen Schicht, wird der
Fluss somit nur am hinteren Rand des rückseitigen Magnetkreises auf
0 beschränkt.
Dadurch ist die Magnetflussmenge im aktiven Sensorbereich höher als
die in Abwesenheit eines solchen rückseitigen Magnetkreises vorhandene.
Demzufolge wird das Ausgabesignal des MTJ-Sensors mithilfe des rückseitigen
Magnetkreises durch die zusätzliche
Flussmenge im aktiven Sensorbereich verstärkt.
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Da
der Strom senkrecht zum Tunnelübergang
und somit zum Abschnitt des Magnetkreises, der Teil des Tunnelübergangs
ist, fließt,
wird kein Strom vom Abschnitt der freien ferromagnetischen Schicht,
der sich über
den Tunnelübergang
hinaus er streckt, abgeleitet. Während
in der bevorzugten Ausführungsform
von 5 die hinteren Ränder 212, 208 der
Tunnelsperrschicht 210 bzw. der festgelegten ferromagnetischen
Schicht 118 koplanar sind, ist dies nicht zwingend vorgeschrieben,
vorausgesetzt, dass der hintere Rand 203 der freien ferromagnetischen
Schicht 132 weiter von der Abfühlfläche 200 entfernt ist,
als jener der hinteren Ränder 212, 208,
der der Abfühlfläche 200 am
nächsten
ist. Dies ist so, da der senkrecht durch die Tunnelsperrschicht 210 fließende Strom
durch den hinteren Rand 212, 208 bestimmt wird,
der der Abfühlfläche 200 am nächsten liegt.
Daher ist der hintere Rand 203 der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 weiter
vom hinteren Rand 212 der Tunnelsperrschicht 210 entfernt, wenn
der hintere Rand 212 näher
bei der Abfühlfläche 200 liegt,
als der hintere Rand 208 der festgelegten ferromagnetischen
Schicht 118. Entsprechenderweise ist der hintere Rand 203 der
ferromagnetischen Abfühlschicht 132 weiter
vom hinteren Rand 208 der festgelegten ferromagnetischen
Schicht 118 entfernt, wenn der hintere Rand 208 näher bei
der Abfühlfläche 200 liegt,
als der hintere Rand 212 der Tunnelsperrschicht 210.
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Während in
der bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf 5, die erste Zuleitung 102 so
abgebildet ist, dass ihr hinterer Rand über die hinteren Ränder der
antiferromagnetischen 116 und der festgelegten ferromagnetischen
Schicht 118 hinaus geht, kann die erste Zuleitung 102 auch so
ausgeführt
sein, dass ihr hinterer Rand im Wesentlichen koplanar mit den hinteren
Rändern
der antiferromagnetischen 116 und der festgelegten ferromagnetischen
Schicht 118 ist. Die zweite Zuleitung 104 ist
ebenfalls mit ihrem hinteren Rand koplanar zum hinteren Rand der
freien ferromagnetischen Schicht 132 abgebildet, die zweite
Zuleitung 104 kann jedoch auch so ausgeführt sein,
dass ihr hinterer Rand über
den hinteren Rand 203 der freien ferromagnetischen Schicht 132 hinaus
reicht. Demgemäß kann der
hintere Rand der zweiten Zuleitung 104 näher an der
ABS 200 liegen, als der hintere Rand 203 der freien
ferromagnetischen Schicht 132, vorausgesetzt, dass ihr
hinterer Rand weiter von der ABS 200 entfernt ist, als
der des aktiven Bereiches des Sensors.
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In
einer alternativen Ausführungsform
entspricht das Substrat, auf dem die erste Zuleitung 102 ausgebildet
ist, der ersten Magnetabschirmung S1 und die zweite Mag netabschirmung
S2 ist auf der zweiten Zuleitung 104 ausgebildet. Die Abschirmungen
S1 und S2 bestehen aus Ni-Fe-Legierungen oder Ni-Fe-Co-Legierungen
und sind elektrisch leitfähig.
In dieser Ausführungsform
wird also ein elektrisch leitender Pfad durch die Abschirmung S1
zur ersten Zuleitung 102 senkrecht durch den Tunnelübergang
zur zweiten Zuleitung 104 und der zweiten Abschirmung S2
bereitgestellt. Diese Ausführungsform
benötigt
nicht mehr länger
isolierende Spaltschichten G1, G2, obwohl isolierendes Material
sehr wohl noch für
die Rückseite
des Tunnelübergangs gebraucht
wird, wie in 5 zu sehen.
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Fertigungsprozess
des eingelassenen MTJ-MR-Lesekopfs
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Für AMR- oder
Spinventilsensoren, bei denen der Abfühlstrom parallel zu den Schichten
des Sensors fließt,
ist es schwer den Magnetkreis an den Sensor anzufügen, da
der Magnetkreis und der Sensor elektrisch isoliert werden müssen, damit
der Strom nicht vom Sensor abgeleitet wird. Der Magnetkreis und
der Sensor müssen
jedoch magnetisch gekoppelt sein. Dies wird durch Isolieren des
Sensors mit einer dielektrischen Schicht und nachfolgendem Ausrichten
der Magnetkreisform zum Sensor erzielt. Eine effiziente Magnetkopplung
an den Sensor erfordert Ausrichtungen mit einer Genauigkeit von
0,1 μm und
eine dielektrische Dicke von 5 nm bis 10 nm, wobei beide mit den
derzeit bekannten Technologien im Bereich MR-Kopfherstellung sehr
schwer auszuführen
sind. Wenn jedoch ein Magnettunnelübergangssensor dort verwendet
wird, wo Strom senkrecht zu den Sensorschichten fließt, dann
muss der Magnetkreis von der Abfühlschicht
nicht elektrisch isoliert sein. Der rückseitige Magnetkreis kann
eine kontinuierliche Fortsetzung der freien ferromagnetischen Schicht
sein, wie in der bevorzugten Ausführungsform in 5 veranschaulicht
wird.
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Unter
Bezugnahme auf 6 wird nun der Vorgang
zur Bildung des durch den rückseitigen
Magnetkreis geführten
MTJ-MR-Lesekopfs beschrieben. Zwei lithographische Strukturschritte
werden benötigt.
Einer bestimmt den hinteren Rand der festgelegten ferromagnetischen
Schicht 118 und einer definiert den hinteren Rand der freien
ferromagnetischen Schicht 132. Der MTJ-MR-Lesekopf wird
auf einer Isolatorschicht, üblicherweise
der G1 Schicht aus Aluminium, wie in 5 abgebildet,
her gestellt, er kann aber auch direkt auf der unteren Magnetabschirmungsschicht
S1 erzeugt werden.
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Wie
in 6A zu sehen, beginnt der Vorgang beginnt mit dem
Abscheiden des Materials für die
Zuleitungsschicht 102, eine antiferromagnetische Schicht 116,
die festgelegte ferromagnetische Schicht 118 und einem
Material, wie etwa Aluminium, das schließlich zur Bildung der Tunnelsperrschicht 120 oxidiert
wird. Der Zuleitungswerkstoff kann aus einer Reihe leitender Materialien
bestehen, wie etwa Ta, Al, Cu, Au, W und Pt mit einer typischen
Dicke im Bereich 100 bis 500 Å.
Die antiferromagnetische Schicht 116 kann aus einer Reihe
sehr bekannter Materialien, wie z. B. Fe-Mn, Ni-Mn, Pt-Mn, Ir-Mn, Pd-Mn und Cr-Al, ausgewählt werden.
Die herkömmliche
Dicke der antiferromagnetischen Schicht 116 liegt im Bereich
von 70 bis 300 Å.
Die festgelegte ferromagnetische Schicht 118 besteht vorzugsweise aus
einer Ni-Fe-Legierung oder einer Doppelschicht aus einer Ni-Fe-Legierung
und einem dünnen Co-Film.
Die üblichen
Dicken der aus Ni-Fe-Legierungen bestehenden Schichten bewegen sich
im Bereich von 20 bis 100 Å und
herkömmliche
Dicken für die
Co-Schicht beträgt
von 2 bis 20 Å.
Die Dicke des Aluminiums für
die Tunnelsperroxidschicht 120 bewegt sich üblicherweise
im Bereich von 5 bis 20 Å.
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Nach
dem Abscheiden dieser Schichten, was üblicherweise mittels Ionenstrahlabscheidung oder
HF- oder Gleichstrom-Magnetron-Sputtern durchgeführt wird, werden die Schichten
so strukturiert, dass der Resist 230 zur Bestimmung der
gewünschten
Form verwendet wird, wie in 6B abgebildet,
die eine Draufsicht der 6A ist.
Ionenstrahlfräsen
entfernt dann das Material, das nicht durch den Resist 230,
wie in 6C dargestellt, geschützt wurde.
Die Zuleitungsschicht 102, die antiferromagnetische Schicht 116,
die festgelegte ferromagnetische Schicht 118 und die Tunnelsperrschicht werden
nun auf der Schicht G1 ausgebildet und zwar in der Form wie in 6D zu
sehen ist. Die Resist-Schicht 230 ist üblicherweise ein doppelschichtiges
Resistmaterial mit einer Unterätzung.
Nach dem Ionenfrässchritt
von 6C wird eine Schicht eines isolierenden Materials 232,
normalerweise Aluminiumoxid oder SiO2, durch
einen Ionenstrahl oder HF-Sputtern abgeschieden, um die Ränder der Struktur
abzudichten, nachdem die Resist-Schicht 230 abgenommen
wurde, was die in den 6E–6F abgebildete
Struktur ergibt. In diesem ersten lithographischen Strukturierungsschritt wird
der hintere Rand 208 der festgelegten ferromagnetischen
Schicht 118 als Referenzpunkt angenommen.
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Nach
der Strukturierung zur Bildung der in den 6E–6F dargestellten
Strukturen, wird das Aluminium in der späteren Tunnelsperrschicht 120 bei
einem Sauerstoffdruck von 100 mTorr und einer Leistungsdichte von
25 W/cm2 für 30 bis 40 Sekunden plasmaoxidiert.
Daraus entsteht die isolierende, aus Aluminiumoxid bestehende Tunnelsperrschicht 120.
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Als
nächstes
werden die freie ferromagnetische Schicht 132 und die Zuleitungsschicht 104 abgeschieden,
wie in den 6G–6H abgebildet. Die
freie ferromagnetische Schicht 132 besteht herkömmlicherweise
aus einer Ni-Fe-Legierung oder einer Doppelschicht aus Co und einer
Ni-Fe-Legierung, mit einer Dicke von 10 bis 200 Å für die Ni-Fe-Legierung und einer
Dicke von 2 bis 20 Å für die Co-Legierung.
Die Zuleitung 104 besteht aus ähnlichen Materialien und Dicken,
wie sie für
die Zuleitung 102 beschrieben wurden.
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Nach
dem Abscheiden der Schichten 132, 104, was mittels
Ionenstrahlabscheidung oder HF- oder Gleichstrom-Magnetron-Sputtern
durchgeführt wird,
werden die freie ferromagnetische Schicht 132 und die Zuleitungsschicht 104 mithilfe
des Resists 240 zur Bestimmung der gewünschten Form strukturiert,
wie in den 6I–6J dargestellt.
Die Resist-Schicht 240 ist üblicherweise ein doppelschichtiges
Resist-Material mit einer Unterätzung.
Ionenfräsen
entfernt das nicht durch den Resist 240 geschützte Material,
wie in den 6K–6L abgebildet.
Nach dem Ionenfräsungsvorgang
der 6K wird eine Schicht eines Isolators 242, üblicherweise Aluminiumoxid
oder SiO2, durch einen Ionenstrahl oder
HF-Sputtern abgeschieden, um die Ränder der Struktur abzudichten,
nachdem die Resist-Schicht 240 abgenommen wurde, was eine
in den 6M–6N dargestellte
Struktur ergibt. Ein wichtiges, in dieser zweiten lithographischen
Strukturierung definiertes Merkmal ist die Breite der freien ferromagnetischen
Schicht 132, also der Breite w, welche an der ABS freigelegt
wird. Dieser Schritt definiert auch den hinteren Rand 203,
sodass die freie ferromagnetische Schicht 132 sich von
der ABS über den
vorderen Rand 210 und den hinteren Rand 212 der
Tunnelsperrschicht 120 erstreckt und hinter dem hinteren
Rand 212 aufhört.
Wie zuvor beschrieben, hilft dies dem Fluss dabei sich effizient über den
gesamten aktiven Tunnelübergangsbereich
auszubreiten, der durch die hinteren Ränder der Tunnelsperrschicht 120,
der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 und der
ABS 200 definiert wird.
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Der
oben erwähnte
Vorgang kann auch so adaptiert werden, dass eine longitudinale Vormagnetisierung
oder Stabilisierung der freien ferromagnetischen Schicht 132 bereitgestellt
wird, die auch als Magnetkreis dient, wie zuvor unter Bezugnahme
auf die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150,
wie in 4 abgebildet, beschrieben. Im Besonderen die in
den 6K–6N dargestellten Schritte
werden so verändert,
dass, anstelle des Abscheidens der Aluminiumschicht 242 und
dem anschließenden
Abheben des Resists 240, eine aufeinanderfolgende Abscheidung
des harten ferromagnetischen Vormagnetisierungswerkstoffs und des
zusätzlichen
Aluminiumoxids durchgeführt
wird, worauf dann das Abheben erfolgt. Die daraus entstandene Struktur
ist in 7 zu sehen, in der eine Ansicht der Abfühlfläche 200 abgebildet
ist. 7 stellt die ferromagnetische Abfühlfläche 132 und
die zweite Zuleitung 104 so dar, dass deren vordere Ränder an
der Abfühlfläche 200 freiliegend
zu sehen sind. Die freiliegenden Ränder der ferromagnetischen
Vormagnetisierungsschichten 150 sind ebenfalls abgebildet. Die
Bereiche zwischen den harten ferromagnetischen Vormagnetisierungsschichten 150 und
der ferromagnetischen Abfühlschicht 132,
der ersten Zuleitung 102 und der zweiten Zuleitung 104 sind
aus isolierendem Material, beispielsweise Aluminiumoxid, gebildet.
Die herkömmlichen
Aluminiumoxiddicken bewegen sich im Bereich von 100 bis 500 Å und als harter
ferromagnetischer Vormagnetisierungswerkstoff wird üblicherweise
eine Co-Pf-Legieurng mit einer derart eingerichteten Dicke verwendet,
dass diese 1- bis 3-mal das Moment der freien ferromagnetischen
Schicht 132 zur Verfügung
stellt. Die erste Aluminiumoxidisolierung deckt die Ränder der
ferromagnetischen Abfühlform
ab und die zweite Aluminiumoxidisolierung deckt die obere Fläche des
harten ferromagnetischen Werkstoffs ab. Nach dem Abheben wird ein
letzter Strukturierungsschritt durchgeführt, um nicht ge wünschte Bereiche
des harten ferromagnetischen Vormagnetisierungswerkstoffs zu entfernen.
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Die
Gesamtbreite der Zuleitungen, der freien und der festgelegten ferromagnetischen
Schicht, der Tunneloxidschicht und der antiferromagnetischen Schicht
wird durch die völlige
Trennung zwischen den Abschirmungen S1 und S2 eingeschränkt. Für einen
5 Gbit/in2 Sensor bewegt sich diese Zahl
im Bereich von 1000 bis 2000 Å.
Es ist von Vorteil, die freie ferromagnetische Schicht 132 in
diesem Spalt mitten zwischen den beiden Abschirmungen anzuordnen. Dies
kann durch Anpassen des Dickenverhältnisses der Zuleitungen 104, 102 erzielt
werden.
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Nach
dem die Zuleitung 104 und die freie ferromagnetische Schicht 132 mit
Strukturen versehen wurden und die Struktur des MTJ-MR-Lesekopfs
im Wesentlichen vollständig
ist, mit Ausnahme des Läppungsschritts
zur Bildung der ABS 200, ist es noch notwendig, dass die
Magnetisierungsrichtung (magnetisches Moment) der festgelegten ferromagnetischen
Schicht 118 in der korrekten Richtung ausgerichtet wird.
Wenn Fe-Mn für
die antiferromagnetische Schicht 116 zur Austauschkopplung
mit der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 verwendet
wird, ist es, wie abgeschieden, antiferromagnetisch. Deren Magnetisierungsrichtung
muss jedoch so ausgerichtet werden, dass sie die Austauschkopplung
mit der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 in der
korrekten Ausrichtung durchgeführt
werden kann. Die Struktur wird in einen Anlassofen gegeben und die
Temperatur wird auf etwa 180°C
erhöht,
womit diese Temperatur höher
ist, als die Sperrtemperatur von Fe-Mn. Bei dieser Temperatur verursacht
das Fe-Mn nicht mehr länger
eine Austauschanisotropie mit der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118.
Eine Austauschanisotropie mit der ferromagnetischen Schicht 118 entsteht
durch Kühlen
der beiden Schichten 116, 118 in einem Magnetfeld.
Die Ausrichtung der Magnetisierung der festgelegten ferromagnetischen
Schicht 118 wird entlang der Richtung des angelegten Magnetfelds
verlaufen. Das angelegte Magnetfeld im Anlassofen verursacht daher, dass
das Moment der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 entlang
der benötigten
Richtung senkrecht zur ABS festgelegt wird, wie in durch Pfeil 119 in 4 gekennzeichnet.
Dies entsteht durch das Kühlen
der Fe-Mn-Schicht in Gegenwart der fer romagnetischen Schicht 118,
die durch das angelegte Magnetfeld magnetisiert wird, in der erforderlichen Ausrichtung.
Bei Temperaturen unterhalb der Sperrtemperatur von Fe-Mn wird sich
daher die Magnetisierung der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118,
in Gegenwart eines angelegten Magnetfelds des aufgezeichneten Mediums,
im Wesentlichen nicht drehen.
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Als
alternative Struktur zur bevorzugten, in 5 abgebildeten
Ausführungsform,
können
die Zuleitung 104 und die freie ferromagnetische Schicht 132 zuerst
auf dem Substrat G1 mit der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118,
der antiferromagnetischen Schicht 116 und der Zuleitung 102,
die sich während
des Fertigungsprozesses „oberhalb" des MTJ befinden,
ausgebildet sein.
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Der
Kopf 25 kann die folgenden Merkmale aufweisen:
Er
kann Teil eines integrierten Lese-/Schreibkopfes sein und zwar eines
Typs, worin der Lesekopf vom Schreibkopf abgeschirmt ist und worin
das Substrat eine erste Abschirmung S1 für den Lesekopf ist; und/oder
er
umfasst weiters eine Schicht aus elektrisch isolierendem Spaltmaterial
G1, die auf der ersten Abschirmung S1 ausgebildet ist und worin
eine erste elektrische Zuleitung (102) auf der Schicht
aus Spaltmaterial G1 ausgebildet ist; und/oder
er umfasst ein
zweites Substrat S2, worin die erste Zuleitung (102), die
ferromagnetische Abfühlschicht (132),
die Tunnelsperrschicht (120) und die zweite Zuleitung (104)
einen Schichtenstapel bilden, der zwischen dem ersten und dem zweiten
Substrat (S1, S2) platziert ist und weiters ein zwischen dem Stapel und
dem zweiten Substrat befindliches isolierendes Material umfasst;
und/oder
er ist Teil eines integrierten Lese-/Schreibkopfs
und zwar eines Typs, worin der Lesekopf magnetisch abgeschirmt wird
und worin das zweite Substrat die zweite Abschirmung S2 ist, die
den Lesekopf vom Schreibkopf trennt; und/oder
er umfasst eine
Abfühlschaltungsanordnung,
die mit der ersten und der zweiten Zuleitung (102, 104)
verbunden ist; und/oder
das Substrat G1 ist eine erste elektrische
leitende Magnetabschirmung, worin die erste Zuleitung (102) auf
der ersten Abschirmung ausgebildet ist, wobei ein elektrisch leitender
Pfad zwischen der ersten Abschirmung und der ersten Zuleitung bereitgestellt wird;
und/oder
er umfasst weiters eine zweite elektrisch leitende
Magnetabschirmung, die auf der zweiten Zuleitung (104) ausgebildet
ist, wobei ein elektrisch leitender Pfad von der ersten Abschirmung
zur ersten Zuleitung durch die Tunnelsperrschicht (120)
zur zweiten Zuleitung und zur zweiten Abschirmung bereitgestellt wird.
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Während die
vorliegende Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf die bevorzugten
Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben wurde, ist es für Fachleute auf diesem Gebiet
verständlich, dass
verschiedene Änderungen
bezüglich
Form und Detail vorgenommen werden können, ohne dabei den Schutzumfang
der Erfindung, wie er in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt
ist, zu verlassen.