DE69624323T2

DE69624323T2 - Magnetoresistives Element, magnetoresistiver Kopf und magnetoresistiver Speicher

Info

Publication number: DE69624323T2
Application number: DE69624323T
Authority: DE
Inventors: Yuosuke Irie; Hiroshi Sakakima
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: EP0780912B1; KR970050284A; EP0780912A1; JPH09172212A; JP3293437B2; US5715121A; KR100214371B1; DE69624323D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, die einen Magnetoresistenzeffekt verwenden, wie z. B. ein Magnetoresistenzelement, einen magnetoresistiven Kopf für ein Festplattenlaufwerk und eine magnetoresistive Speichervorrichtung.

Beschreibung des Standes der Technik

Vor kurzem wurde ein großer magnetoresistiver Effekt in einem starken Magnetfeld von 80-796 kA·m (1-10 kOe) auf künstlichen Fe/Cr- oder Co/Ru- Gitterschichten mit antiferromagnetischer Kopplung über einer nicht- magnetischen metallischen Dünnschicht aus Cr, Ru oder dergleichen entdeckt (Physical Review Letters, Bd. 61, 2472 (1988), ibidem Bd. 64, 2304 (1990)). Obwohl diese Schichten eine große Änderung der Magnetoresistenz (MR) aufweisen, ist jedoch ein Magnetfeld mit einer Stärke von einigen kOe erforderlich, um den Magnetoresistenzeffekt zu erzeugen, da diese magnetischen Schichten antiferromagnetisch gekoppelt sind.
Ferner wurde auch eine große Magnetoresistenz auf künstlichen Ni- Fe/Cu/Co-Gitterschichten entdeckt, die zwei Arten von magnetischen Dünnschichten Ni-Fe und Co verwenden, die durch eine nicht-magnetische metallische Dünnschicht Cu getrennt sind und eine weichmagnetische Kopplung zwischen diesen aufweisen. Ein Magnetoresistenzverhältnis beträgt etwa 8% in einem angelegten Magnetfeld von 40 kA·m (0,5 kOe) bei Zimmertemperatur (Journal of Physical Society of Japan, Bd. 59, 3061 (1990)). Auch in diesem Fall ist es jedoch schwierig, die magnetische Kopplung zwischen den magnetischen Filmen vollständig aufzuheben, wobei es problematisch ist, ein Magnetoresistenzelement mit einer großen Änderung der Magnetoresistenz in einem schwächeren Magnetfeld zu entwickeln.
Eine große Änderung der Magnetoresistenz wird beobachtet, wenn ein Strom senkrecht zu einer Schichtebene einer künstlichen Gitterschicht fließt. Da jedoch die Schichtdicke sehr dünn ist, ist der Widerstand entlang der Richtung der Schichtebene sehr gering, wobei die Schicht praktisch nicht genutzt werden kann.
Als ein Magnetoresistenzelement, das in einem sehr kleinen beaufschlagten Feld arbeitet, wird ein Drehventilelement vorgeschlagen, das antiferromagnetisches Fe-Mn aufgetragen auf Ni-Fe/Cu/Ni-Fe aufweist (Journal of Magnetism and Magnetic Materials 93, 101 (1922)), wobei eine Anwendung desselben auf einen magnetoresistiven Kopf untersucht wird. Es besteht jedoch das Problem, dass eine Änderung der Magnetoresistenz des Elements lediglich 2 bis 4% beträgt.
Es wurde ein Magnetoresistenzelement mit Tunneleffekt entwickelt, das eine zwischen zwei magnetische Schichten eingesetzte Isolatorschicht aufweist (Japanese Journal of Applied Magnetism, Bd. 19, Nr. 2, 369 (1995)), jedoch ist es schwierig, die Qualität der Isolatorschicht zu kontrollieren, um somit eine gute Reproduzierbarkeit der Eigenschaften zu erhalten.
Es wird eine magnetoresistive Speichervorrichtung vorgeschlagen, die Wortleitungen und Leseleitungen aufweist und aus einem magnetoresistiven Material des Standes der Technik hergestellt ist (IEEE Trans. Magn., Bd. 27, Nr. 6, 5520 (1991)). Da jedoch eine Änderungsrate der Magnetoresistenz klein ist, besteht das Problem, dass ein Ausgangssignal klein ist, wenn Informationen ausgelesen werden.
J. Magn. and Magn. Mater., Bd. 126, Nrn. 1-3, 1993, S. 524-526; Y. Suezawa u. a., "Spin polarized electrons and magnetoresitance in ferromagnetic tunnel junctions and multilayers", beschreibt einen großen Magnetoresistenzeffekt und einen Tunnelübergang, der eine nicht-magnetische Al&sub2;O&sub3;-Schicht aufweist, die Al-Körner enthält. Die Dicke der nicht- magnetischen Schicht beträgt 96 nm, wobei der Magnetventileffekt eine Änderung von etwa 0,1% ausmacht.
Außerdem offenbart US 5 390 061 A ein Magnetoresistenzeffekt-Element mit einer mehrschichtigen Struktur, die wenigstens magnetische Schichten und eine Zwischenschicht aus Isolationsmaterial wie z. B. Al&sub2;O&sub3; aufweist.
J. Magn. and Magn. Mater., Bd. 126, Nrn. 1-3, 1993, S. 430-432; T. Jaoi u. a., "Dependance of magnetoresistance on temperature and applied voltage in a 82 Ni-Fe/Al-Al&sub2;O&sub3;/Co tunnel junction", bezieht sich auf ein Magnetoresistenzelement, das eine Al-Al&sub2;O&sub3;-Barriereschicht enthält, die mittels natürlicher Oxidation einer Al-Schicht ausgebildet wird. Die Dicke der isolierenden Barriereschicht beträgt 7 bis 20 nm, wobei ein MR-Verhältnis von 2,7% erreicht werden kann. Ferner ist ein Speicherchip, der eine große magnetoresistive Speicherzelle verwendet, bekannt aus IEEE transactions on Components, Packaging and Manufacturing technology - Teil A, Bd. 17, Nr. 3, September 1994, S. 373-379; J. L. Brown u. a.: "1-MB memory chip using giant magnetoresistive memory cells".

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die einen Magnetoresistenzeffekt mit einer größeren Änderung der Magnetoresistenz in einem kleineren Magnetfeld nutzt.
Ein Magnetoresistenzelement mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung umfasst mehrere magnetische Schichten und eine oder mehrere nicht-magnetische Schichten, wobei die magnetischen Schichten und die eine oder die mehreren nicht-magnetischen Schichten so übereinander gelagert sind, dass jede nicht-magnetische Schicht zwischen einem Paar magnetischer Schichten angeordnet ist. Die nicht-magnetische Schicht enthält eine elektrische Isolatorschicht und zumindest einen elektrischen Leiter, der in der elektrischen Isolatorschicht angeordnet ist, wobei die Dicke der nicht-magnetischen Schicht gleich oder kleiner als 5 nm ist. Die Reproduzierbarkeit des Elements mit Tunneleffekt, das einen großen Magnetoresistenzeffekt aufweist, ist somit im Vergleich zu einem Element, das nur einen elektrischen Isolator als nicht- magnetische Schicht verwendet, verbessert. Ferner kann der elektrische Widerstand der nicht-magnetischen Schicht kontrolliert werden, wobei es sehr einfach wird, ein Magnetoresistenzelement zu entwickeln. Der Effekt wird weiter verbessert, indem die nicht-magnetische Schicht verwendet wird, in der spaltenartige elektrische Leiter von einem elektrischen Isolator umgeben sind. Die Zusammensetzungen der magnetischen Schichten werden optimiert, um die Magnetoresistenzeigenschaft zu verbessern.
Ein Paar von magnetischen Schichten, die zu der nicht-magnetischen Schicht benachbart sind, umfasst vorzugsweise eine weichmagnetische Schicht, wobei die andere derselben eine Koerzitivfeldstärke aufweist, die größer ist als diejenige der einen der zwei magnetischen Schichten. Die weichmagnetische Schicht, deren Magnetisierung in einem sehr kleinen Magnetfeld leicht umkehrbar ist, ist durch die nicht-magnetische Schicht von der anderen magnetischen Schicht, deren Magnetisierung schwierig umzukehren ist, getrennt, um somit die magnetische Kopplung zwischen den zwei magnetischen Schichten zu schwächen. Somit wird die Rotation der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht einfach. Somit können das Magnetoresistenzelement und der magnetoresistive Kopf, die den Magnetoresistenzeffekt verwenden, mit einer großer Änderungsrate der Magnetoresistenz versehen werden.
Ein dritte magnetische Schicht kann auf eine Schicht eines Paares magnetischer Schichten, die zwischen sich die nicht-magnetische Schicht aufnehmen, aufgebracht werden. Die dritte magnetische Schicht unterdrückt die Magnetisierungsumkehr der einen Schicht eines Paares der magnetischen Schichten. Eine magnetische Grenzschicht mit einer Dicke von 1 nm oder weniger, die Cobalt als eines der Hauptbestandteilatome enthält, kann an einer Grenzfläche zwischen der magnetischen Schicht und der benachbarten nicht-magnetischen Schicht vorgesehen sein.
Das obenerwähnte Magnetoresistenzelement wird auf einen magnetoresistiven Kopf angewendet. Die Größe eines auf einem magnetischen Medium aufgezeichneten Abschnitts ist klein, wobei das Signalmagnetfeld vom magnetischen Medium klein ist. Es ist dann praktisch effektiv, ein Joch vorzusehen, das aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist, um das Magnetfeld effizient zur weichmagnetischen Schicht zu leiten.
Im obenerwähnten Magnetoresistenzelement, dem magnetoresistiven Kopf und der Speichervorrichtung gemäß der Erfindung ist der Widerstand in Richtung senkrecht zur Schichtebene hoch, wobei ein Strom in der Richtung senkrecht zur Schichtebene fließen kann. Somit kann eine größere Änderungsrate der Magnetoresistenz erhalten werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Magnetoresistenzelement, der magnetoresistive Kopf und die magnetoresistive Speichervorrichtung eine große Änderung der Magnetoresistenz in einem sehr kleinen Magnetfeld aufweisen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Magnetoresistenzelements eines Typs gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2A eine schematische Schnittansicht einer darin befindlichen nicht- magnetischen Schicht ist, wobei Fig. 2B eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels einer darin befindlichen nicht-magnetischen Schicht ist;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines Magnetoresistenzelements eines modifizierten Typs gemäß der Erfindung ist;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Magnetoresistenzelements eines anderen Typs gemäß der Erfindung ist;
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines Magnetoresistenzelements eines modifizierten Typs gemäß der Erfindung ist;
Fig. 6A und 6B schematische Schnittansichten von Magnetoresistenzelementen eines anderen Typs gemäß der Erfindung sind;
Fig. 7 eine schematische Schnittansicht eines magnetischen Kopfes für ein Festplattenlaufwerk gemäß der Erfindung ist; und
Fig. 8 eine schematisches Diagramm einer Speichervorrichtung gemäß der Erfindung ist.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGS¬ FORMEN

In den Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche oder entsprechende Teile über die mehreren Ansichten hinweg bezeichnen, zeigt Fig. 1A ein Element mit einer Struktur aus einer magnetischen Schicht 3, einer nicht-magnetischen Schicht 2 und einer magnetischen Schicht 1, die nacheinander überlagert sind. Ferner sind Elektroden 11 auf der Oberseite der magnetischen Schicht 1 und an der Unterseite der magnetischen Schicht 3 ausgebildet, wobei (nicht gezeigte) Leiter mit den Elektroden 11 verbunden sind. Wenn ein sehr kleines Magnetfeld H angelegt wird, kehrt die magnetische Schicht 1, die eine kleine Koerzitivfeldstärke aufweist, wie z. B. eine weichmagnetische Schicht, ihre Magnetisierung im angelegten Magnetfeld um. Andererseits weist die andere magnetische Schicht 3, die eine größere Koerzitivfeldstärke besitzt, wie z. B. eine hartmagnetische Schicht, eine Magnetisierung auf, die im angelegten Magnetfeld nicht umgekehrt wird. Somit werden die Magnetisierungsrichtungen der zwei magnetischen Schichten 1 und 3 antiparallel, wobei der Widerstand des Elements erhöht wird. Wenn das angelegte Magnetfeld weiter erhöht wird, werden die Magnetisierungsrichtungen der zwei magnetischen Schichten 1, 3 parallel gemacht, wobei der Widerstand abnimmt. Dies ist das Prinzip des Magnetoresistenzelements. Wenn jedoch die nicht-magnetische Schicht aus einem Metall gefertigt ist, ist es schwierig, die magnetische Kopplung zwischen den magnetischen Schicht 1 und 3 aufzuheben, wobei dann, wenn die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 2 erhöht wird, die magnetische Kopplung geschwächt wird, jedoch die Änderungsrate der Magnetoresistenz abnimmt.
Wenn andererseits die nicht-magnetische Schicht aus einem elektrischen Isolator gefertigt wird und mittels Tunneleffekt ein Strom in der Richtung senkrecht zur Schichtebene fließt, wird die Reproduzierbarkeit der Elementeigenschaften schlechter. Die nicht-magnetische Schicht 2 in dieser Ausführungsform umfasst ein Gemisch aus einem elektrischen Isolator 21 und einem elektrischen Leiter 22, wie in Fig. 2A gezeigt ist. Die magnetische Kopplung zwischen den magnetischen Schichten ist dann reduziert, ohne die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften des Elements zu verschlechtern. Wie in Fig. 2A gezeigt ist, weist die nicht-magnetische Schicht 2 vorzugsweise eine Struktur auf, bei der die spaltenartigen elektrischen Leiter 22 von einem elektrischen Isolator 21 umgeben sind.
Wie in Fig. 2B gezeigt ist, muss die nicht-magnetische Schicht 2 nicht die in Fig. 2A gezeigte Struktur aufweisen. Zum Beispiel erstreckt sich der elektrische Leiter 22 nicht unbedingt bis zu den magnetischen Schichten 1 und 3, wenn die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 2 z. B. nur 5 nm dünn ist, so dass zwischen diesen ein Tunneln von elektrischen Ladungen auftritt. Es ist eine beliebige Verteilung der elektrischen Leiter 22 im elektrischen Isolator 21 annehmbar, sofern die elektrische Leitfähigkeit in Richtung der Schichtnormalen größer ist als diejenige in Richtung der Schichtebene.
Fig. 3 zeigt einen modifizierten Typ eines Magnetoresistenzelements, bei dem mehrere der in Fig. 1 gezeigten Strukturen durch Einfügen einer nicht- magnetischen Schicht 2 zwischen zwei magnetischen Schichten 1 und 3 schichtartig angeordnet sind. In der in Fig. 3 gezeigten Struktur sind der Reihe nach eine erste magnetische Schicht 1, eine nicht-magnetische Schicht 2, eine zweite magnetische Schicht 3 und eine weitere nicht- magnetische Schicht 2 und eine weitere erste magnetische Schicht 1 überlagert, wobei eineinhalb Perioden weiter wiederholt werden. Ferner sind Elektroden 11 und (nicht gezeigte) Leiter auf der Oberseite und der Unterseite des Elements ausgebildet. Die Änderungsrate der Magnetoresistenz ist weiter verbessert, wobei dann, wenn ein Strom in Richtung der Schichtebene fließt, der Schichtwiderstand des Elements verringert ist.
Ein Beispiel des Herstellungsprozesses des in Fig. 1 gezeigten Magnetoresistenzelements wird im folgenden erläutert. Eine magnetische Schicht 1 aus Co0,7Ni0,1Fe0,2 wird mittels Sputtern bis zu einer Dicke von 12 nm abgeschieden. Anschließend wird darauf eine nicht-magnetische Schicht 2 bis zu einer Dicke von 2 nm mit einem Verbundziel aus Al&sub2;O&sub3; und Cu abgeschieden. Ferner wird darauf mittels Sputtern eine magnetische Schicht 3 aus CoO,5Fe0,5 bis zu einer Dicke von 3 nm abgeschieden. Eine Mehrfachziel- Sputtervorrichtung kann ebenfalls verwendet werden, um Al&sub2;O&sub3; und Kupfer getrennt abzuscheiden, wobei auch der Selbstabschattungseffekt einer schrägen Abscheidung genutzt werden kann. Da Al&sub2;O&sub3; und Kupfer dazu tendieren, sich voneinander zu trennen, wachsen in der Wärmebehandlung in der nicht-magnetischen Schicht 2 Kupferkörner im Al&sub2;O&sub3;.
Es wird die Magnetoresistenzeigenschaft des Elements längs einer Richtung senkrecht zu einer Schichtebene gemessen, wobei die Änderungsrate der Magnetoresistenz von 18% in einem angelegten Magnetfeld von 3979 A·m (50 Oe) beobachtet wird.
In ähnlicher Weise wird ein weiteres Magnetoresistenzelement, wie in Fig. 3 gezeigt, vorbereitet durch Schichten von sechs Perioden der Struktur aus einer magnetischen Schicht 1, einer nicht-magnetischen Schicht 2, einer magnetischen Schicht 3 und einer nicht-magnetischen Schicht 4, die der Reihe nach geschichtet sind. Die Magnetoresistenzeigenschaft des Elements wird in ähnlicher Weise gemessen, wobei eine Änderungsrate der Magnetoresistenz auf 24% erhöht wird.
Für die weichmagnetischen Schichten, die (semi)-hartmagnetischen Schichten und dergleichen zur Herstellung der obenerwähnten Magnetoresistenzelemente werden vorzugsweise die im folgenden beschriebenen Materialien verwendet.
Die weichmagnetische Schicht 1 mit kleiner Koerzitivfeldstärke, bei der leicht eine Magnetoresistenz zu erzeugen ist und deren Magnetisierung bei einem kleinen Magnetfeld leicht umkehrbar ist, umfasst vorzugsweise als einen Hauptbestandteil eine Ni-reiche magnetische Schicht, die zu 50% oder mehr Co enthält. Zum Beispiel weist die Ni-reiche magnetische Schicht die Zusammensetzung auf:
NixCoyFez (1)
wobei
x = 0,6 bis 0,9, y = 0 bis 0,4 und z = 0 bis 0,3 (1')
im atomischen Verhältnis gilt. Repräsentanten hiervor sind Ni0,80Co0,15Fe0,05 und Ni0,68Co0,20Fe0,12. Eine andere weichmagnetische Schicht 1 mit einem größeren Betriebsmagnetfeld, jedoch mit einer großen Änderung der Magnetoresistenz, umfasst als eine Hauptkomponente eine Co-reiche magnetische Schicht, die zu 50% oder mehr Cobalt enthält. Zum Beispiel weist die Co- reiche magnetische Schicht die Zusammensetzung auf:
Nix'Coy'Fez' (2)
wobei
x1 = 0 bis 0,4, y1 = 0,2 bis 0,95 und t = 0 bis 0,5 (21)
im atomischen Verhältnis gilt. Repräsentanten hiervor sind Co0,9Fe0,1 und Co0,7Ni0,1Fe0,2. Diese Legierungen weisen kleine Magnetostriktionen auf und können vorteilhaft für das Element verwendet werden.
Obwohl eine Eisenschicht eine Magnetostriktion ungleich 0 aufweist, weist sie eine große Änderungsrate der Magnetoresistenz auf. Sie besitzt eine relativ große Koerzitivfeldstärke oder eine große Koerzitivfeldstärke, die von den Herstellungsbedingungen abhängt. Somit kann eine Eisenschicht als eine weichmagnetische Schicht 1 und als eine semi-hartmagnetische Schicht 3 verwendet werden.
Eine amorphe Cobalt-Legierung, wie z. B. Co-Mn-B oder Co-Mo-B, kann ebenfalls als weichmagnetische Schicht 1 verwendet werden.
Der elektrische Leiter 22 in der nicht-magnetischen Schicht 1 ist vorzugsweise aus Kupfer, Silber oder Gold hergestellt. Der elektrische Isolator 21 in der nicht-magnetischen Schicht 2 ist vorzugsweise aus Al&sub2;O&sub3; gefertigt.
Eine hart- oder semihart-magnetische Schicht 3 weist vorzugsweise eine sehr große Koerzitivfeldstärke und eine quadratische Magnetisierungskurve auf, um eine Umkehrung der Magnetisierung zu verhindern. Ferner enthält die magnetische Schicht 3 vorzugsweise Cobalt als eines der Hauptbestandelemente, um einen großen Magnetoresistenzeffekt aufzuweisen. Repräsentanten hiervon sind Co, Co0,5Fe0,5 und Co0,75Pt0,25.
Fig. 4 zeigt einen anderen Typ eines Magnetoresistenzelements, das ein Merkmal aufweist, das eine Magnetisierungsumkehrung-Unterdrückungsschicht 4 einer magnetischen Schicht 3' überlagert ist. Das Element weist eine Struktur bestehend aus der Magnetisierungsumkehrung-Unterdrückungsschicht 4, der magnetischen Schicht 3', einer nicht-magnetischen Schicht 2 und einer magnetischen Schicht 1 auf, die der Reihe nach überlagert sind. Ferner sind Elektroden 11 und (nicht gezeigte) Leiter auf der Oberseite und der Unterseite des Elements ausgebildet. In diesem Element wird die Magnetisierung der magnetischen Schicht 3' durch die Existenz der Magnetisierungsumkehrung-Unterdrückungsschicht 4 nicht so leicht gedreht, mit anderen Worten, die Magnetisierungsumkehrung-Unterdrückungsschicht 4 unterdrückt die Magnetisierungsumkehrung der der Schicht 4 benachbarten magnetischen Schicht 3'. Die Magnetisierungsumkehrung-Unterdrückungsschicht 4, die der magnetischen Schicht 3' überlagert ist, hat somit eine ähnliche Rolle bezüglich der in den Fig. 1 und 3 gezeigten magnetischen Schicht 3. Die magnetische Schicht 3' kann somit die gleiche sein wie die magnetische Schicht 1, oder kann von dieser verschieden sein.
Als Magnetisierungsumkehrung-Unterdrückungsschicht 4 kann eine beliebige Schicht verwendet werden, sofern die Magnetisierungsumkehrung der magnetischen Schicht 3' unterdrückt wird, wenn sie auf die magnetische Schicht 3' angewendet wird. Zum Beispiel können ein Oxid TbCo, SmCo oder ein metallischer Antiferromagnet wie z. B. Fe-Mn, Ni-Mn, Cr-Mn oder ein Oxid-Antiferromagnet wie z. B. NiO oder CoO verwendet werden. Wenn ein Oxid-Antiferromagnet verwendet wird, ist es wünschenswert, dass dessen Dicke ausreichend dünn ist, um den Widerstand zu verringern.
Fig. 5 zeigt einen modifizierten Typ eines Magnetoresistenzelements, bei dem mehrere der in Fig. 4 gezeigten Strukturen überlagert sind durch Einsetzen einer nicht-magnetischen Schicht 2 zwischen zwei Strukturen. In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel sind zwei Strukturen mit einer dazwischenliegenden nicht-magnetischen Schicht 2 überlagert. Ferner sind Elektroden 11 und (nicht gezeigte) Leiter auf der Oberseite und der Unterseite des Elements ausgebildet.
Die Fig. 6A und 6B zeigen einen weiteren anderen Typ eines Magnetoresistenzelements mit dem Merkmal, dass eine magnetische Grenzschicht 5 an einer Grenzfläche zwischen einer magnetischen Schicht 1 und einer nicht- magnetischen Schicht 2 vorgesehen ist. Die magnetische Grenzschicht 5 ist eine Schicht, die den Magnetoresistenzeffekt verstärkt. Zum Beispiel weist die magnetische Grenzschicht 5 eine Dicke von 1 nm oder weniger auf und enthält Cobalt als eines der Hauptbestandteilelemente. Die Verstärkungswirkung der magnetischen Grenzschicht wird mit zunehmender Schichtdicke gesättigt. Wenn die Schichtdicke 1 nm überschreitet, verschlechtert dies die weichmagnetische Eigenschaft, wenn sie auf eine weichmagnetische Schicht aufgebracht ist. In einem in Fig. 6A gezeigten Beispiel ist eine magnetische Grenzschicht 5 zwischen der magnetischen Schicht 1 mit kleiner Koerzitivfeldstärke, wie z. B. einer weichmagnetischen Schicht, und der nicht- magnetischen Schicht 2 eingesetzt, während in einem weiteren in Fig. 6B gezeigten Beispiel eine magnetische Grenzschicht 5 zwischen der nicht- magnetischen Schicht 2 und der magnetischen Schicht 3 mit einer großen Koerzitivfeldstärke, wie z. B. einer hartmagnetischen Schicht, eingesetzt ist. Ferner sind Elektroden 11 und (nicht gezeigte) Leiter auf der Oberseite und der Unterseite des Elements ausgebildet. Durch Vorsehen der magnetischen Grenzschicht 5 wird eine größere Änderungsrate der Magnetoresistenz beobachtet.
Eine Cobalt-Dünnschicht ist als magnetische Grenzschicht 5 vorteilhaft, um eine Änderungsrate der Magnetoresistenz zu erhöhen. Wenn die Schicht 5 an einer Grenzfläche zwischen der magnetischen Schicht 1 und der nicht- magnetischen Schicht 2 vorgesehen ist, ist deren Dicke vorzugsweise gleich 1 nm oder weniger, um einer Verschlechterung der weichmagnetischen Eigenschaft der magnetischen Schicht 1 zu verhindern.
Die magnetische Grenzschicht kann ferner dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten Magnetoresistenzelement mit der Magnetisierungsumkehrung-Unterdrückungsschicht 4 zwischen der nicht-magnetischen Schicht 2 und der magnetischen Schicht 3' hinzugefügt werden.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines magnetischen Kopfes 7 des Magnetoresistenzeffekt-Typs, der für ein Festplattenlaufwerk verwendet wird. Ein Signalmagnetfeld von einem magnetischen Medium wird mittels eines Joches 6 zum Magnetoresistenzelement geleitet. Das im magnetischen Kopf verwendet Magnetoresistenzelement weist die in Fig. 1 gezeigte Struktur bestehend aus einer magnetischen Schicht 3, einer nicht-magnetischen Schicht 2 und einer magnetischen Schicht 1 auf, die der Reihe nach überlagert sind. Das Joch 6 hat vorzugsweise eine Breite und eine Dicke entsprechend einer Form eines Kleinsignalbereiches, um das Signalmagnetfeld H zur weichmagnetischen Schicht 1 im Magnetoresistenzelement zu führen. Um den magnetischen Fluss effizient zu führen, ist das Joch 6 aus einem weichmagnetischen Material mit einer hoher Permeabilität hergestellt. Ferner ist es wünschenswert, dass die andere magnetische Schicht 3 neben der weichmagnetischen Schicht 1 eine große Koerzitivfeldstärke und eine Magnetisierungskurve mit guter quadratischer Form aufweist, um eine Umkehrung der Magnetisierung im Signalmagnetfeld zu verhindern.
Ein Beispiel eines Herstellungsprozesses des magnetoresistiven Kopfes wird im folgenden erläutert. Eine magnetische Schicht 1 aus Ni0,68Co0,12Fe0,12 wird mittels Sputtern bis zu einer Dicke von 12 nm abgeschieden. Anschließend wird hierauf mit einem Verbundziel aus Al&sub2;O&sub3; und Cu eine nicht- magnetische Schicht 2 bis zu einer Dicke von 2 nm abgeschieden. Ferner wird hierauf mittels Sputtern eine magnetische Schicht 3 aus Co0,5Fe0,5 bis zu einer Dicke von 3 nm abgeschieden. Die Magnetoresistenzeigenschaft des Elements längs einer Richtung senkrecht zur Schichtebene wird in einem angelegten Magnetfeld von 1592 A·m (20 Oe) gemessen, wobei eine Änderungsrate der Magnetoresistenz von 12% beobachtet wird. Nachdem hierauf SiO&sub2; gesputtert worden ist, um eine (nicht gezeigte) Isolierschicht auszubilden, wird ferner mittels Sputtern eine Schicht aus Co0,82Nb0,12Zr0,16 ausgebildet, wobei durch Mustern der Schicht ein Joch 6 ausgebildet wird. Ferner sind Elektroden und Leiter (nicht gezeigt) auf jeder magnetischen Schicht vorgesehen. Somit wird ein magnetoresistiver Kopf 7, der die Magnetoresistenz nutzt, vorbereitet. Nachdem durch Anlegen eines Magnetfeldes von 500 Oe an den Kopf 7 in einer Helmholtz-Spule, das Co0,5Fe0,5 in einer Richtung magnetisiert worden ist, wird ein Ausgangssignal des Kopfes 7 in einem in der entgegengesetzten Richtung erzeugten Magnetfeld gemessen. Es wird festgestellt, dass das Ausgangssignal des Kopfes 7 gleich dem Sechsfachen desjenigen eines Kopfes ist, der bis auf die Tatsache gleich ist, dass eine Ni-Fe-Schicht eines Magnetoresistenzmaterials des Standes der Technik verwendet wird.
Die magnetische Schicht 7, die für das Joch 6 verwendet wird, muss eine weichmagnetische Schicht mit einer hohen Permeabilität sein. Diese Bedingung wird von einer amorphen Cobalt-Legierungsschicht aus Co0,82Zr0,06 oder dergleichen oder Ni0,8Fe0,2 erfüllt.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel einer Speichervorrichtung, bei ein Magnetoresistenzelement 21 mit Leitern verbunden ist, die ein Paar von Leseleitungen S, S' bilden, wobei ein Paar von Wortleitungen W, W' für das Auslesen von Informationen nahe dem Magnetoresistenzelement 21 über einer (nicht gezeigten) Isolierschicht vorgesehen sind. Die Leseleitungen S, S' sind elektrisch mit der Oberseite und der Unterseite des Magnetoresistenzelements 21 verbunden. Somit verläuft die Richtung des Stroms, der durch das Magnetoresistenzelement 21 fließt, im wesentlichen senkrecht zur Schichtebene des Elements 21. In Fig. 8 ist zur Vereinfachung der Erläuterung nur ein Magnetoresistenzelement 21 gezeigt. Obwohl nicht explizit gezeigt, sind jedoch mehrere Magnetoresistenzelemente 21 in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet. Die Leseleitungen S sind parallel zueinander angeordnet und kreuzen die Leseleitungen S' senkrecht. Die Wortleitungen W sind parallel zueinander angeordnet und kreuzen die Wortleitungen W' senkrecht. Das Magnetoresistenzelement 21 kann eine Struktur aus den obenerwähnten Magnetoresistenzelementen aufweisen, z. B. die in Fig. 1 gezeigte Struktur aus einer magnetischen Schicht 3, einer nicht-magnetischen Schicht 2 und einer magnetischen Schicht 1, die der Reihe nach überlagert sind. Informationen werden aufgezeichnet, indem den Wortleitungen W, W' ein Strom zugeführt wird, um ein Magnetfeld zum Umkehren der Magnetisierung der magnetischen Schicht 3 mit einer größeren Koerzitivfeldstärke zu erzeugen. Informationen werden gelesen durch Erfassen einer Änderung der Magnetoresistenz im Magnetoresistenzelement 21 mit den Leseleitungen S, S', während ein schwacher Strom den Wortleitungen W, W' zugeführt wird, um die Magnetisierung nur der weichmagnetischen Schicht 1 umzukehren. In dieser Speichervorrichtung muss die magnetische Schicht 3 mit einer größeren Koerzitivfeldstärke die Magnetisierung mittels des von den Wortleitungen W, W' erzeugten Magnetfeldes umkehren. Da dies schwierig wird, wenn die Koerzitivfeldstärke zu groß ist, ist es wünschenswert, dass die magnetische Schicht 3 eine semi-hartmagnetische Schicht mit einer Koerzitivfeldstärke einer geeigneten Größe umfasst. Um ferner den Aufzeichnungszustand der Information klar zu erfassen, ist es wünschenswert, dass die Quadratform der Magnetisierungskurve der semi-hartmagnetischen Schicht 3 gut ist.
Wenn das Magnetoresistenzelement 21 eine Struktur bestehend aus einer Magnetisierungsumkehrung-Unterdrückungsschicht 4, einer magnetischen Schicht 3', einer nicht-magnetischen Schicht 2 und einer magnetischen Schicht 1 aufweist, die der Reihe nach überlagert sind, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, und die Magnetisierungsumkehrung-Unterdrückungsschicht 4 aus einem antiferromagnetischen Material gefertigt ist, wird es in vielen Fällen schwierig, die Magnetisierung der magnetischen Schicht 3' in einem von den Wortleitungen W, W' erzeugten Magnetfeld umzukehren. In diesen Fällen wird die Information aufgezeichnet, indem den Wortleitungen W, W' ein Strom zum Umkehren der Magnetisierung der magnetischen Schicht 1 zugeführt wird, wobei Informationen gelesen werden, indem ebenfalls ein Strom zu den Wortleitungen W, W' zum Umkehren der Magnetisierung der magnetischen Schicht 1 zugeführt wird. Es wird dann in diesem Fall ein destruktives Lesen durchgeführt, im Gegensatz zu einem nicht-destruktiven Lesen im vorherigen Fall.
Ein Beispiel für die Herstellungsprozesse der Speichervorrichtung, die das in Fig. 1 gezeigte Magnetoresistenzelement verwendet, wird im folgenden erläutert. Zuerst wird Gold abgeschieden und in Form von parallelen Streifen zu Leseleitungen S gemustert. Anschließend werden mehrere Magnetoresistenzelemente 21 auf den Leseleitungen S ausgebildet. Zum Beispiel wird eine magnetische Schicht 1 aus Ni0,8Fe0,2 mittels Sputtern bis zu einer Dicke von 10 nm abgeschieden. Anschließend wird darauf mit einem Verbundziel aus Al&sub2;O&sub3; und Cu eine nicht-magnetische Schicht 2 bis zu einer Dicke von 5 nm abgeschieden. Ferner wird hierauf mittels Sputtern eine magnetische Schicht 3 aus Co bis zu einer Dicke von 5 nm abgeschieden. Es wird die Magnetoresistenzeigenschaft eines Magnetoresistenzelements mit dieser Struktur längs einer Richtung senkrecht zu einer Schichtebene gemessen, wobei eine Änderungsrate der Magnetoresistenz von 10% in einem angelegten Magnetfeld von 1592 A·m (20 Oe) beobachtet wird. Alternativ wird ein Magnetoresistenzelement vorbereitet, indem sechs Perioden einer Struktur bestehend aus einem magnetischen Schicht 1, einer nicht-magnetischen Schicht 2, einer magnetischen Schicht 3 und einer nicht-magnetischen Schicht 1, die der Reihe nach überlagert sind, überlagert werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Magnetoresistenzeigenschaft wird in ähnlicher Weise gemessen, wobei eine Änderungsrate der Magnetoresistenz von 16% beobachtet wird.
Ferner wird Gold in Form von Streifen parallel abgeschieden und gemustert, um Leseleitungen S' auf den Magnetoresistenzelementen 1 senkrecht zu den Leseleitungen S auszubilden. Anschließend wird hierauf SiO&sub2; gesputtert, um eine Isolierschicht auszubilden, worauf Gold abgeschieden wird. Die Wortleitungen W' werden durch Mustern der Goldschicht ausgebildet. Dieser Prozess wird wiederholt, um Wortleitungen W senkrecht zu den Wortleitungen W' auszubilden. Somit wird eine Speichervorrichtung hergestellt. Nachdem die magnetische Schicht 3 durch Zuführen eines Stroms zu den Wortleitungen W, W' in einer Richtung magnetisiert worden ist, wird den Wortleitungen W, W' ein schwacher Strom zugeführt, um ein schwaches Magnetfeld in der entgegengesetzten Richtung zur Magnetisierung der magnetischen Schicht 3 zu erzeugen, um nur die magnetische Schicht 1 zu magnetisieren, während die Widerstandsänderung zwischen einem Leseleitungspaar S, S' gemessen wird. Es wird eine Ausgangssignaländerung beobachtet. Wenn andererseits dem Wortleitungspaar W, W' ein schwacher Strom zugeführt wird, um ein schwaches Magnetfeld in der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 3 zu erzeugen, wird keine Änderung zwischen einem Leseleitungspaar S, S' beobachtet. Somit wird festgestellt, dass die hergestellte Vorrichtung als Speichervorrichtung arbeitet. Wenn ferner einem Wortleitungspaar W, W' wiederholt ein schwacher Strom zugeführt wird, um Informationen zu lesen, werden ähnliche Ausgangssignaländerungen beobachtet. Somit wird festgestellt, dass ein nicht-destruktives Lesen möglich ist. Die Leitungen der Wortleitungen W, W' und der Leseleitungen S, S' sind vorzugsweise aus einem Metall wie z. B. Gold oder Kupfer mit einem geringen Widerstand hergestellt.

Claims

1. Magnetoresistenzelement mit Tunneleffekt, enthaltend mehrere magnetische Schichten (1, 3; 3') und eine oder mehrere nicht-magnetische Schichten (2), wobei die magnetischen Schichten (1, 3; 3') und die eine oder die mehreren nicht-magnetischen Schichten (2) so übereinander gelagert sind, dass jede nicht-magnetische Schicht (2) zwischen einem Paar magnetischer Schichten (1, 3; 3') angeordnet ist, und wobei die nicht-magnetische Schicht (2) eine elektrische Isolatorschicht (21) und zumindest einen elektrischen Leiter (22), der in der elektrischen Isolatorschicht (21) angeordnet ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der nicht-magnetischen Schicht (2) gleich oder kleiner als 5 nm ist.

2. Element nach Anspruch 1, bei dem eine magnetische Schicht eines Paares magnetischer Schichten (1, 3), welche sich in Nachbarschaft zu der nicht-magnetischen Schicht (2) befindet, eine weichmagnetische Schicht (1) ist, und bei dem die andere magnetische Schicht (3) eine Koerzitivfeldstärke aufweist, die größer ist als die dieser einen magnetischen Schicht (1) der beiden magnetischen Schichten.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin enthaltend eine dritte magnetischen Schicht (4), die an einer magnetischen Schicht (31) eines Paares magnetischer Schichten (1, 3') angebracht ist, welche die nicht-magnetische Schicht (2) zwischen sich aufnehmen, wobei die dritte magnetische Schicht (4) die Ummagnetisierung dieser einen magnetischen Schicht (3') des Paares magnetischer Schichten (1, 3') unterdrückt.

4. Element nach Anspruch 3, bei dem die magnetische Schicht (31), welche benachbart zu der dritten magnetischen Schicht (4) angeordnet ist, 50 Prozent oder mehr Kobalt und die magnetische Schicht (1), welche nicht benachbart zu der dritten magnetischen Schicht (4) angeordnet ist, 50 Prozent oder mehr Nickel enthält.

5. Element nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die dritte magnetische Schicht (4) aus einem antiferromagnetischen Material hergestellt ist.

6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin enthaltend eine magnetische Grenzflächenschicht (5) mit einer Dicke von 1 nm oder weniger, welche Kobaltatome als einen Hauptbestandteil enthält, wobei die magnetische Grenzflächenschicht (5) an einer Grenzfläche zwischen der magnetischen Schicht (1 oder 3) und der nicht-magnetischen Schicht (2), welche benachbart zu der magnetischen Schicht (1 oder 3) angeordnet ist, vorgesehen ist.

7. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die nicht-magnetische Schicht (2) eine elektrische Isolatorschicht (21) und mehrere säulenförmige elektrische Leiter (22), die darin angeordnet sind, enthält.

8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine der magnetischen Schichten (1, 3; 3') eine weichmagnetische Schicht (1) mit NixCoyFez als einen Hauptbestandteil enthält, wobei x im Bereich von 0,6 bis 0,9, y im Bereich von 0 bis 0,4 und z im Bereich von 0 bis 0,3 im atomaren Zusammensetzungsverhältnis liegt.

9. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine der magnetischen Schichten (1, 3; 3') eine weichmagnetische Schicht (1) mit NixCoyFez als einen Hauptbestandteil enthält, wobei x im Bereich von 0 bis 0,4, y im Bereich von 0,2 bis 0,95 und z im Bereich von 0 bis 0,5 im atomaren Zusammensetzungsverhältnis liegt.

10. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine magnetische Schicht (1) der magnetischen Schichten eine amorphe Legierungsschicht mit Kobalt als einen Hauptbestandteil enthält.

11. Element nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 7, bei dem die weichmagnetische Schicht (1) eine magnetische Schicht mit NixCoyFez als einen Hauptbestandteil enthält, wobei x im Bereich von 0,6 bis 0,9, y im Bereich 0 bis 0,4 und z im Bereich 0 bis 0,3 im atomaren Zusammensetzungsverhältnis liegt, und bei dem die magnetische Schicht, die eine Koerzitivfeldstärke aufweist, welche größer ist als die der magnetischen Schicht, eine magnetische Schicht mit Kobaltatomen als einen Hauptbestandteil enthält.

12. Element nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 7, bei dem die weichmagnetische Schicht (1) eine magnetische Schicht mit NixCoyFez als einen Hauptbestandteil enthält, wobei x im Bereich von 0 bis 0,4, y im Bereich von 0,2 bis 0,95 und z im Bereich von 0 bis 0,5 im atomaren Zusammensetzungsverhältnis liegt, und bei dem die magnetische Schicht, die eine Koerzitivfeldstärke aufweist, welche größer ist als die der magnetischen Schicht, eine magnetische Schicht mit Kobaltatomen als Hauptbestandteil enthält.

13. Element nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 7, bei dem die weichmagnetische Schicht (1) eine amorphe Legierungsschicht mit Kobalt als einen Hauptbestandteil enthält und bei dem die magnetische Schicht, die eine Koerzitvfeldstärke aufweist, welche größer ist als die der amorphen Schicht, eine magnetische Schicht mit Kobaltatomen als einen Hauptbestandteil enthält.

14. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der elektrische Leiter (22) in der nicht-magnetischen Schicht (2) eine oder mehrere Element enthält, die aus einer Gruppe aus Kupfer, Silber und Gold ausgewählt sind.

15. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die elektrische Isolatorschicht (21) in der nicht-magnetischen Schicht (2) aus einem Aluminiumoxid hergestellt ist.

16. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem zum Herstellen eines Magnetoresistenzkopfes ein Joch (6) zum Führen eines magnetischen Signalfeldes von einem magnetischen Medium, welches dem Magnetoresistenzkopf (7) gegenüber liegt, zu dem Magnetoresistenzelement vorgesehen ist.

17. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem zum Erzeugen einer Speichereinrichtung ein Paar erster elektrisch leitfähiger Leitungen (S, S'), die elektrisch mit einer der magnetischen Schichten, welche an einem Ende des Magnetoresistenzelement (23) angeordnet ist, und mit einer anderen der magnetischen Schichten verbunden sind, die an dem anderen Ende angeordnet ist, und ein zweites Paar elektrisch leitfähiger Leitungen (W, W), die elektrisch isoliert von dem Magnetoresistenzelement (23) sind, vorgesehen sind, wobei das Paar an zweiten elektrisch leitfähigen Leitungen (S, S') nahe dem Magnetoresistenzelement (23) vorgesehen ist.

18. Element nach Anspruch 17, bei dem eine Vielzahl der Magnetoresistenzelemente (23) in Form einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind und bei dem ein Paar der leitfähigen Leitungen (S, S'), welche sich senkrecht zueinander überkreuzen und getrennt voneinander sind, um jedes der Magnetoresistenzelemente (23) angeordnet sind.