DE69130351T3

DE69130351T3 - Verfahren zur Herstellung eines GMR Gegenstandes

Info

Publication number: DE69130351T3
Application number: DE69130351T
Authority: DE
Inventors: Shiho c/o Intellectual Property Div. Minato-ku Okuno; Susumu c/o Intellectual Property Div. Minato-ku Hashimoto; Keiichiro c/o Intellectual Property Div. Minato-ku Yusu; Koichiro c/o Intellectual PropertyDiv. Minato-ku Inomata
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-11-01
Filing date: 1991-11-01
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2011-11-02
Also published as: DE69130351T2; US5616370A; JPH04212402A; DE69130351D1; US5534355A; EP0485129A1; EP0485129B2; EP0485129B1; JP3483895B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetresistanz- bzw. Magnetwiderstandsvorrichtung.
Ein elektrischer spezifischer Widerstand ρ einer Substanz, der bei einer vorbestimmten Temperatur einen bestimmten Wert hat, ändert sich bei Anlegen eines externen Magnetfeldes. Dieses Phänomen wird "Magnetwiderstandseffekt" genannt, der in der gleichen Art und Weise wie ein Hall-Effekt einer von galvanomagnetischen Effekten ist.
Dieser Magnetwiderstandseffekt wird für Magnetwiderstandselemente, wie z.B. einen Magnetwiderstandsfeldsensor oder einen Magnetwiderstandskopf (MR-Kopf), verwendet. Als den Magnetwiderstandseffekt zeigendes Material sind ein Halbleiter und ein ferromagnetisches Material bekannt.
Da sich die physikalischen Eigenschaften des Halbleiters im allgemeinen in Abhängigkeit von der Temperatur in hohem Maße ändern, ist die obere Grenze von dessen Arbeitstemperatur auf etwa 100°C beschränkt. Im Gegensatz dazu hat das ferromagnetische Material einen kleinen Temperaturkoeffizienten, und die obere Grenze von dessen Arbeitstemperatur ist im Prinzip ein Curie-Punkt, so dass das ferromagnetische Material im Vergleich zum Halbleiter bis zu einer viel höheren Temperatur verwendet werden kann. Da das ferromagnetische Material leicht in einen Dünnfilm geformt und miniaturisiert werden kann, kann ferner ein aus dem ferromagnetischen Material hergestelltes Magnetwiderstandselement ein Magnetfeld effektiv detektieren bzw. feststellen, selbst wenn ein Abstand zwischen magnetischen Störungen in der Größenordnung von nur μm liegt.
Der Magnetwiderstandseffekt des ferromagnetischen Materials, der beobachtet wird, wenn ein externes Magnetfeld relativ schwach ist, weist das Merkmal auf, dass sich dessen spezifischer Widerstand entsprechend einem zwischen einer Magnetisierrichtung und einer Stromrichtung gebildeten Winkel ändert. Dieses Phänomen wird insbesondere anisotroper Magnetwiderstandseffekt genannt. Der spezifische Widerstand eines allgemeinen ferromagnetischen Materials nimmt ein Maximum an, wenn dessen Magnetisierrichtung parallel zu einer Stromrichtung ist (ρ//), und ein Minimum, wenn beide senkrecht zueinander gekreuzt sind (ρ⊥). Als eine Größe zum Darstellen der Größe des anisotropen Magnetwiderstandseffekts wird ein Verhältnis Δρ/ρ₀ verwendet, worin Δρ = ρ// – ρ⊥ gilt und ρ₀ der spezifische Widerstand ist, wenn ein angelegtes Magnetfeld Null ist. Als Materialien mit großem Δρ/ρ₀ bei Raumtemperatur sind Legierungen auf der Basis von Ni-Co oder Ni-Fe bekannt. Man beachte, dass deren Δρ/ρ₀ nicht mehr als etwa 2,5 bis 6,5% beträgt.
Es wurde kürzlich berichtet, dass ein großer Magnetwiderstandseffekt in einem künstlichen mehrlagigen Gebilde bzw. einer künstlichen Mehrfachschicht beobachtet wird, in der ferromagnetische Schichten und nichtmagnetische Schichten abwechselnd geschichtet sind und eine Magnetisierung benachbarter ferromagnetischer Schichten antiparallel eingerichtet ist (Phys. Rev. Lett. Bd. 61, S. 2472 (1988)). Zum Beispiel ist eine aus einem Fe (eine ferromagnetische Schicht)/Cr – (eine nichtmagnetische Schicht)-System bestehende Mehrfachschicht bekannt. Bei der auf einem Glassubstrat gebildeten Fe/Cr-Mehrfachschicht weist die maximale relative Änderung des spezifischen Widerstands (ρ_S – ρ₀)/ρ₀, worin ρ₀ der spezifische Widerstand ist, wenn ein angelegtes Magnetfeld Null ist, und ρ_S der spezifische Widerstand ist, wenn die Magnetisierung gesättigt ist, sehr große Werte von –8,4% bei Raumtemperatur und –26,4% bei 77 K auf (J. App. Mag. Soc. Bd. 14, S. 351 (1990)). In einer solchen Art von künstlicher Mehrfachschicht beträgt jedoch ein gesättigtes Magnetfeld, d.h. ein externes Magnetfeld, das erforderlich ist, um die relative Änderung des spezifischen Widerstands zu sättigen, 10 kOe oder mehr bei Raumtemperatur, was einen praktischen Bereich überschreiten muss, der für einen Magnetwiderstandsfeldsensor oder einen MR-Kopf erforderlich ist.
Ferner wird berichtet, dass andere künstliche Mehrfachschichten als das Fe/Cr-System, z.B. ein Ni-Fe/Cu/Co/Cu-System (J. Phys. Soc. Jap. 59 (1990) 3016) oder ein Ni-Fe/Cu/Ni-Fe/FeMn-System (35th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, 1990), ebenfalls einen großen Magnetwiderstandseffekt zeigen.
Bei diesen künstlichen Mehrfachschichten wird der antiparallel ausgerichtete Magnetisierungszustand, der zu dem großen Magnetwiderstandseffekt führt, auf dem Wege eines Magnetisierprozesses infolge einer Differenz von Anisotropien zweier Arten ferromagnetischer Schichten, d.h. einer harten Schicht (einer Schicht mit einer großen magnetischen Anisotropie), wie z.B. Co oder FeMn/Ni-Fe, und einer weichen Schicht (einer Schicht mit einer kleinen magnetischen Anisotropie), wie z.B. Ni-Fe (Permalloy) realisiert. Das Ni-Fe/Cu/Co/Cu-System zeigt jedoch eine große Hysterese im Magnetwiderstandseffekt bezüglich des Magnetfeldes. Daher ist es erforderlich, die Hysterese soweit wie möglich zu reduzieren. Andererseits zeigt das Ni-Fe/Cu/Ni-Fe/FeMn-System in einem schwachen Magnetfeld bis zu 15 Oe eine kleine Hysterese. Ferner ändert sich dessen relative Änderung des spezifischen Widerstands Δρ/ρ₀ stufenartig bei Änderung eines externen Magnetfeldes ΔH, was im praktischen Gebrauch vorzuziehen ist. Im Hinblick auf verschiedene Anwendungen des Magnetwiderstandseffekts ist es jedoch eher vorzuziehen, vielmehr die relative Änderung eines externen Magnetfeldes als eine stufenartige Variation steuern zu können.
Es kann hier erwähnt werden, dass eine Vorrichtung, die ferromagnetische Schichten mit einer Dicke von 100 bis 400 nm aufweist, um einen anisotropen Magnetwiderstandseffekt auszunutzen, in FR-A-2 452 168 beschrieben ist.
Ferner wird erwähnt, dass der Magnetwiderstandseffekt einer magnetischen Doppelschicht aus Fe, die durch eine Schicht aus Cr getrennt ist, in der die Dicke des Fe-Films 12 nm beträgt, in dem Artikel in "The American Physical Society, Physical Review B, Bd. 39, Nr. 7, Seiten 4828–4830, beschrieben ist.
US 4 949 034 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Riesenmagnetwiderstandsvorrichtung wie es in der Einleitung von Anspruch 1 angegeben ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Riesenmagnetwiderstandsvorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Diese Erfindung kann vollständiger aus der folgenden ausführlichen Beschreibung verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird, in denen:
1A eine Darstellung ist, die den Aufbau eines Ionenstrahl-Sputtergeräts zeigt, 1B und 1C Draufsichten sind, die Anordnungen von Einrichtungen zum Anlegen eines Magnetfeldes am Umfang eines Substrats zeigen;
2 eine Schnittdarstellung ist, die die Anordnung einer künstlichen Mehrfachschicht eines Beispiels 1 zeigt;
3A die Magnetisierungskurve der künstlichen Mehrfachschicht eines Vergleichsbeispiels 1 zeigt, und 3B eine Magnetisierungskurve der künstlichen Mehrfachschicht des Beispiels 1 zeigt;
4A den Magnetwiderstandseffekt der künstlichen Mehrfachschicht des Vergleichsbeispiels 1 zeigt, und 4B den Magnetwiderstandseffekt der künstlichen Mehrfachschicht des Beispiels 1 zeigt;
5 eine Schnittdarstellung ist, die die Anordnung einer künstlichen Mehrfachschicht eines Beispiels 6 zeigt;
6 eine Schnittdarstellung ist, die den Magnetwiderstandseffekt der künstlichen Mehrfachschicht des Beispiels 6 zeigt;
7 eine Schnittdarstellung ist, die die Anordnung einer künstlichen Mehrfachschicht eines Beispiels 7 zeigt;
8A ein Diagramm ist, das den Fall zeigt, dass die Richtungen uniaxialer magnetischer Anisotropien, die in eine weiche Schicht und eine harte Schicht eingeführt sind, parallel sind, und 8B ein Diagramm ist, das den Fall zeigt, dass die Richtungen uniaxialer magnetischer Anisotropien, die in die weiche Schicht und die harte Schicht eingeführt sind, senkrecht gekreuzt sind, bezüglich der künstlichen Mehrfachschicht des Beispiels 7;
9A den Magnetwiderstandseffekt der künstlichen Mehrfachschicht des Beispiels 7 zeigt, die in 8A dargestellt ist, und 9B den Magnetwiderstandseffekt der künstlichen Mehrfachschicht des Beispiels 7 zeigt, die in 8B dargestellt ist;
10 eine Schnittdarstellung ist, die die Anordnung der künstlichen Mehrfachschicht eines Beispiels 8 zeigt;
11 eine Darstellung ist, die den Aufbau eines HF-Magnetron-Sputtergeräts zeigt, dass in einem Beispiel 9 verwendet wird;
12A das Röntgenbeugungsdiagramm der künstlichen Mehrfachschicht einer Probe A ist, und 12B das Röntgenbeugungsdiagramm der künstlichen Mehrfachschicht einer Probe B im Beispiel 9 ist; und
13A den Magnetwiderstandseffekt zeigt, wenn die Richtung des Magnetfeldes zu der des Stroms senkrecht gekreuzt ist, und 13B den Magnetwiderstandseffekt zeigt, wenn die Richtung des Magnetfeldes zu der des Stroms parallel ist, bezüglich der Probe A des Beispiels 9.
In der vorliegenden Erfindung besteht eine ferromagnetische Schicht aus zumindest einem (Bestandteil), der aus einer Gruppe von Übergangsmetallen, wie z.B. Fe, Co, Ni, und deren Legierungen und Verbindungen ausgewählt ist. Das Wort "nichtmagnetisch" schließt paramagnetisch und antiferromagnetisch ein. Eine nichtmagnetische Schicht besteht aus zumindest einem (Bestandteil), der aus einer Gruppe von Übergangsmetallen, wie z.B. V, Cr, Cu, Au etc., und deren Legierungen und Verbindungen ausgewählt ist. Diese Schichten können kristallin oder amorph sein. Die Dicke der ferromagnetischen Schicht beträgt 0,5 bis 20 nm, die Dicke der nichtmagnetischen Schicht beträgt vorzugsweise 0,5 bis 20 nm, und die Dicke der gesamten Laminatschichten beträgt vorzugsweise 30 bis 500 nm.
In der vorliegenden Erfindung schließt die künstliche Mehrfachschicht eine Mehrfachschicht ein, in der verschiedene Arten von Schichten zusammenhängend geschichtet oder verschiedene Arten von Schichten, obgleich nicht zusammenhängend, aber unter der Steuerung der Dicke bei einer Genauigkeit von mehreren Angström bis 10 nm geschichtet sind.
In der vorliegenden Erfindung wird eine uniaxiale magnetische Anisotropie durch Wärmebehandeln der Mehrfachschicht im Magnetfeld eingeführt, nachdem die Mehrfachschicht gebildet ist.
Die künstliche Mehrfachschicht der vorliegenden Erfindung wird auf einem willkürlichen Substrat, d.h. einem nicht-einkristallinen Substrat, z.B. Glas, gebildet.
In der künstlichen Mehrfachschicht gemäß der vorliegenden Erfindung nimmt der elektrische spezifische Widerstand der ferromagnetischen Schichten ein Maximum an, wenn Magnetisierungen von zwei benachbarten ferromagnetischen Schichten antiparallel zueinander ausgerichtet sind, und ein Minimum an, wenn sie parallel zueinander ausgerichtet sind. In der künstlichen Mehrfachschicht, die einen Unterschied zwischen magnetischen Anisotropien zweier Arten von ferromagnetischen Schichten, d.h. einer harten und einer weichen Schicht, ausnutzt, tritt der antiparallel ausgerichtete Magnetisierungszustand der ferromagnetischen Schichten auf dem Wege eines Magnetisierprozesses ein. Der antiparallel ausgerichtete Zustand wird durch ein externes Magnetfeld in einen parallel ausgerichteten Zustand umgewandelt. Folglich wird der spezifische Widerstand der ferromagnetischen Schichten geändert.
In der auf einem nicht-einkristallinen Substrat, wie z.B. einem Glassubstrat, ohne Magnetfeld wie im Stand der Technik gebildeten künstlichen Mehrfachschicht weisen die ferromagnetischen Schichten eine Vorzugsachse einer Magnetisierung entlang deren Oberflächen infolge eines Entmagnetisierfeldes auf; dessen Richtung ist aber in der Ebene isotrop, so dass die Vorzugsachse in verschiedenen Richtungen vorliegt.
Wenn eine uniaxiale magnetische Anisotropie in die künstliche Mehrfachschicht unter Ausnutzung einer antiferromagnetischen Kopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten, wie z.B. das Fe/Cr-System, das für das Verständnis der Erfindung verwendbar ist, eingeführt wird, weist im Gegensatz dazu die Vorzugsachse einer Magnetisierung der ferromagnetischen Schichten in der Oberfläche der Schichten in eine Richtung. Wenn der spezifische Widerstand einer solchen künstlichen Mehrfachschicht mit Anlegen eines externen Mag netfeldes in dieser Richtung gemessen wird, wird daher ein gesättigtes Magnetfeld im Vergleich zu derjenigen reduziert, die ohne Magnetfeld gebildet wird und deren Vorzugsachse in der Ebene isotrop ist. Wenn ihr spezifischer Widerstand gemessen wird, wobei die uniaxiale magnetische Anisotropie unter einem bestimmten Winkel θ bezüglich der Richtung des externen Magnetfeldes gerichtet ist, wird der Gradient der relativen Änderungen des spezifischen Widerstands Δρ/ρ₀ zur Änderung eines Magnetfeldes ΔH, d.h. (Δρ/ρ₀)/ΔH, mäßig bzw. schwach sein, obwohl das gesättigte Magnetfeld erhöht ist. Ein solch schwacher Gradient ist zweckmäßig, um die Größe des externen Magnetfeldes festzustellen.
In dem Fall der sowohl eine weiche Schicht als auch eine harte Schicht nutzenden künstlichen Mehrfachschicht werden uniaxiale magnetische Anisotropien in den verschiedenen Richtungen in die weichen und harten Schichten eingeführt. Der in die beiden Schichten einzuführende, zwischen den Richtungen uniaxialer magnetischer Anisotropien gebildete Winkel wird auf 30° < θ < 90° eingestellt. Wenn deren spezifischer Widerstand gemessen wird, wobei insbesondere die uniaxiale magnetische Anisotropie der weichen Schicht unter einem bestimmten Winkel θ bezüglich der Richtung des externen Magnetfeldes gerichtet ist, kann in diesem Fall der Gradient (Δρ/ρ₀)/ΔH gesteuert werden. Wenn er bei einer Einstellung von θ = 0° gemessen wird, kann eine stufenartige Änderung des Magnetwiderstands erhalten werden.
In jedem der oben beschriebenen Fälle wird der Gradient (Δρ/ρ₀)/ΔH am steilsten, wenn der zwischen der Richtung der eingeführten uniaxialen magnetischen Anisotropie und der Richtung des externen Magnetfeldes gebildete Winkel θ = 0° ist, und am schwächsten, wenn der Winkel θ = 90° ist. Um einen Gradienten zu erhalten, der zur Feststellung der Größe des externen Magnetfeldes zweckdienlich ist, wird θ auf 30° < θ < 90° eingestellt.
Beispiele
Es werden Beispiele, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den folgenden Beispielen sind: 1 Torr = 133 Pa, 1 = Oe = 79,8 A/m.
Beispiel 1
1A zeigt ein in diesem Beispiel, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, verwendetes Ionenstrahl-Sputtergerät. Eine Ausströmöffnung 2 einer Kammer 1 ist mit einer (nicht dargestellten) Vakuumpumpe verbunden, und der Druck in der Kammer 1 wird durch ein Druckmessgerät 3 gemessen. Ein Substrathalter 4 ist in der Kammer 1 installiert, und ein Substrat 5 wird auf dem Substrathalter 4 gehalten. Eine Heizvorrichtung 6 ist im Substrathalter 4 vorgesehen, und nahe dem Substrathalter 4 lässt man Kühlwasser 7 strömen, um die Temperaturen des Substrathalters 4 und des Substrats 5 zu regulieren. Die Temperatur des Substrathalters 4 wird mit einem Thermoelement 8 gemessen. Nahe dem Substrat 5 ist eine Einrichtung 9 zum Anlegen eines Magnetfeldes vorgesehen, um ein Magnetfeld entlang der Oberfläche einer auf dem Substrat 5 zu bildenden Schicht anzulegen. Vor dem Substrat 5 ist eine Blende 10 vorgesehen. Ein Zielhalter 11 ist an einer dem Substrat 5 gegenüberliegenden Stelle drehbar vorgesehen, und auf der Oberfläche des Zielhalters 11 sind mehrere Ziele 12 angebracht. Der Zielhalter 11 wird durch Kühlwasser 13 gekühlt. Eine Ionenkanone 14 ist an einer den Zielen 12 gegenüberliegenden Stelle vorgesehen, und Ar-Gas 15 wird an die Ionenkanone 14 geliefert.
Als die Einrichtung 9 zum Anlegen eines Magnetfeldes kann, wie in 1B dargestellt ist, ein Paar Permanentmagnete 16 vorgesehen sein, oder, wie in 1C dargestellt ist, können zwei Paar Helmholtz-Spulen 17a und 17b vorgesehen sein. Im Fall von 1C kann die Richtung des Magnetfeldes in zueinander senkrechten Richtungen geändert werden, je nachdem, welche der beiden Paare Helmholtz-Spulen 17a und 17b verwendet werden.
Die künstliche Mehrfachschicht mit Schichten aus Fe/Cr als Beispiel, das zum Verständnis der Erfindung verwendbar ist, wurde durch Verwenden eines in 1A gezeigten Ionenstrahl-Sputtergeräts hergestellt. Als das Substrat 5 wurde Quarzglas verwendet. Zwei Arten von Zielen 12 aus Fe und Cr waren auf dem Zielhalter 11 montiert. Die Kammer 1 wurde bis zu 2 × 10^–7 Torr entlüftet, und dann wurde in die Ionenkanone 14 Ar-Gas eingeführt, um den Druck auf 3 × 10^–4 Torr einzustellen. Ar wurde ionisiert und beschleunigt und dann mit der Energie von 500 eV zum Ziel 12 emittiert. Die Temperatur des Substrats wurde von Raumtemperatur bis 400°C geändert. Zwei Arten von Zielen wurden zu jeder vorbestimmten Zeit gedreht, um auf dem Substrat 21 aus Quarzglas abwechselnd eine Fe-Schicht 102 und eine Cr-Schicht 103 zu schichten, wie in 2 gezeigt ist, wodurch eine künstliche Mehrfachschicht hergestellt wurde. Während dieses Prozesses wurde durch ein in 1B gezeigtes Paar Permanentmagnete 16 an die Schichten ein Magnetfeld von 100 Oe angelegt, um eine uniaxiale magnetische Anisotropie in einer vorbestimmten Richtung in der Oberfläche der Schichten einzuführen (Beispiel 1).
Zum Vergleich wurde eine künstliche Mehrfachschicht ähnlich dem obigen Prozess hergestellt, außer dass die Schichten magnetfeldfrei ohne Verwendung der Permanentmagnete hergestellt wurden (Vergleichsbeispiel 1).
Die wie oben beschrieben erhaltenen künstlichen Mehrfachschichten werden durch (t_Fe/t_Cr)_n ausgedrückt, wobei t_Fe(nm) die Dicke der Fe-Schicht, t_Cr (nm) die Dicke der Cr-Schicht und n die Zahl von Wiederholungen eines Paars aus der Fe-Schicht und der Cr-Schicht ist. In diesem Beispiel wurde die künstliche Mehrfachschicht mit (t_Fe/t_Cr)_n = (2,7/1,3)₇, hergestellt.
3A und 3B zeigen Magnetisierungskurven der künstlichen Mehrfachschichten des Vergleichsbeispiels 1 bzw. des Beispiels 1. 3A und 3B entnimmt man, dass das gesättigte Magnetfeld in der ohne Magnetfeld hergestellten künstlichen Mehrfachschicht des Vergleichsbeispiels 1 2,5 kOe oder mehr beträgt, wohingegen es in der im Magnetfeld hergestellten künstlichen Mehrfachschicht des Beispiels 1 1,6 kOe beträgt. Da die uniaxiale magnetische Anisotropie in einer Richtung in der Oberfläche der Mehrfachschicht des Beispiels 1 eingeführt ist, ist somit deren gesättigtes Magnetfeld reduziert.
4A und 4B zeigen die Magnetwiderstandseffekte der künstlichen Mehrfachschichten des Vergleichsbeispiels 1 bzw. des Beispiels 1. Zum Zeitpunkt der Messungen wurde die Richtung eines Stroms parallel zu der des externen Magnetfeldes eingestellt. Die in einem Magnetfeld gebildete künstliche Mehrfachschicht des Beispiels 1 wurde in der Art und Weise gemessen, dass die Richtung der uniaxialen magnetischen Anisotropie auf die des externen Magnetfeldes eingestellt wurde. Wie man 4A und 4B entnimmt, beträgt das externe Magnetfeld zum Sättigen der relativen Änderung des spezifischen Widerstands in der künstlichen Mehrfachschicht des Vergleichsbeispiels 1 etwa 3 kOe und in der künstlichen Mehrfachschicht des Beispiels 1 2 kOe oder weniger. Ähnlich den Ergebnissen der 3A und 3B ist deren gesättigtes Magnetfeld reduziert, weil die uniaxiale magnetische Anisotropie in einer Richtung in der Oberfläche der Mehrfachschicht im Beispiel 1 eingeführt ist.
Selbst wenn Messungen ausgeführt wurden, indem die Richtung des Stroms senkrecht zu der des Magnetfeldes gekreuzt wurde, wurden Ergebnisse ähnlich denjenigen der 4A und 4B erhalten.
Beispiel 2
Ähnlich dem Beispiel 1 wurden abwechselnd amorphe Legierungen, die in Tabelle 1 dargestellt sind, mit einer Dicke von 3 nm als ferromagnetische Schichten und Cu mit einer Dicke von 1 nm als nichtmagnetische Schichten auf einem Quarzglassubstrat geschichtet, und eine künstliche Mehrfachschicht mit einer Gesamtdicke von 50 nm als Beispiel, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, hergestellt.
Die Ergebnisse des spezifischen Widerstands und einer relativen Änderung des spezifischen Widerstands der künstlichen Mehrfachschichten, die durch ein Vierpunktverfahren bei Raumtemperatur gemessen wurden, sind in Tabelle 1 dargestellt.
Wie in Tabelle 1 dargestellt ist, beträgt beispielsweise der spezifische Widerstand der künstlichen Mehrfachschicht unter Verwendung der amorphen Legierung einer Probe Nr. 5 130 μΩ-cm. Dieser Wert ist etwas größer als der der amorphen Legierung allein. Deren relative Änderung des spezifischen Widerstands wurde im schwachen Magnetfeld (einige Hundert Oe) gesättigt, und die relative Änderung dieses Falls betrug etwa –10%. Diese relative Änderung wird in Form der Variation im spezifischen Widerstand zu 13 μΩ-cm berechnet. Wenn die Mehrfachschicht als ein Magnetwiderstandselement verwendet wird, wird daher bei Änderung des spezifischen Widerstands eine große Ausgabe erhalten. Dies ist im praktischen Gebrauch des Magnetwiderstandselements vorteilhaft.
Tabelle 1
Beispiel 3
Ähnlich dem Beispiel 1 wurden abwechselnd die amorphe Legierung der Probe Nr. 4 in Tabelle 1 mit einer Dicke von 3 nm als ferromagnetische Schichten und Cr mit einer Dicke von 1 nm als nichtmagnetische Schichten anstelle des Cu von Beispiel 2 auf einem Quarzglassubstrat geschichtet, und eine künstliche Mehrfachschicht mit einer Gesamtdicke von 50 nm als Beispiel, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, hergestellt.
Gemäß den Messungen der künstlichen Mehrfachschicht durch ein Vierpunktverfahren bei Raumtemperatur betrug deren spezifischer Widerstand 160 μΩ-cm, und die relative Änderung des spezifischen Widerstands betrug –7% bei dem gesättigten Magnetfeld von 300 Oe.
Beispiel 4
Ähnlich dem Beispiel 1 wurden abwechselnd Legierungen auf Fe-Basis, die in Tabelle 2 dargestellt sind, mit einer Dicke von 2 nm als ferromagnetische Schichten und Cr mit einer Dicke von 1,2 nm als nichtmagnetische Schichten auf einem Quarzglassubstrat geschichtet, und eine künstliche Mehrfachschicht mit einer Gesamtdicke von 64 nm als Beispiel, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, hergestellt.
Die Werte eines gesättigten Magnetfeldes der künstlichen Mehrfachschichten wurden gemessen, wobei ein externes Magnetfeld in der Richtung einer Vorzugsachse (θ = 0°) und der Richtung einer harten Achse (θ = 90°) angelegt wurde. Zum Vergleich wurde auch das gesättigte Magnetfeld der ohne Magnetfeld gebildeten künstlichen Mehrfachschichten gemessen. Diese Messergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Wie man Tabelle 2 entnimmt, kann, wenn das externe Magnetfeld in der Richtung der Vorzugsachse (in Richtung einer uniaxialen magnetischen Anisotropie) der künstlichen Mehrfachschicht gemäß der vorliegenden Erfindung angelegt wird, das gesättigte Magnetfeld im Vergleich zur künstlichen Mehrfachschicht, die ohne Magnetfeld gebildet wurde und in der keine uniaxiale magnetische Anisotropie eingeführt ist, reduziert werden. Wenn das externe Magnetfeld in der Richtung einer harten Achse (in einer Richtung senkrecht zur uniaxialen magnetischen Anisotropie) der künstlichen Mehrfachschicht gemäß der vorliegenden Erfindung angelegt wird, wird das gesättigte Magnetfeld erhöht. Aus diesen Ergebnissen versteht sich, dass die Größe des gesättigten Magnetfelds durch Ändern von θ zwischen 0° und 90° gesteuert werden kann.
Tabelle 2
Beispiel 5
Eine künstliche Fe/Cr-Mehrfachschicht mit (t_Fe/t_Cr)_n = (2,5/1,3)₃₀ wurde auf einem Quarzglassubstrat (bei Raumtemperatur) als Beispiel, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, durch das dem von Beispiel 1 ähnliche Verfahren hergestellt, außer dass das Magnetfeld nicht angelegt ist. Das gesättigte Magnetfeld der künstlichen Mehrfachschicht betrug 2,7 kOe.
Die künstliche Mehrfachschicht wurde dann bei 450°C im Vakuum in einem Magnetfeld wärmebehandelt. Bezüglich der erhaltenen künstlichen Mehrfachschicht wurde das gesättigte Magnetfeld auf 2,2 kOe reduziert, wenn das externe Magnetfeld in der Richtung der Vorzugsachse angelegt wurde, wohingegen es auf 3,2 kOe erhöht wurde, wenn das externe Magnetfeld in der Richtung einer harten Achse angelegt wurde.
Beispiel 6
Eine in 5 dargestellte künstliche Mehrfachschicht wurde durch Verwenden eines Ionenstrahl-Sputtergeräts von 1A als Beispiel, das für das Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, hergestellt. Als Substrat wurde Quarzglas verwendet, und als Ziele wurden Co, Cu, Ni und Fe verwendet. Ein Paar Permanentmagnete 16 wurde nahe einem Substrathalter gegenüberliegend angeordnet, wie in 1B dargestellt ist, und eine Mehrfachschicht wurde in einem Magnetfeld von 100 Oe gebildet.
Diese künstliche Mehrfachschicht hat einen Aufbau, in dem N Lagen von Laminatschichten wiederholt ausgebildet sind, die jeweils eine Co-Schicht 22 mit einer Dicke von 2,5 nm, eine Cu-Schicht 23 mit einer Dicke von 5 nm, eine (Ni/Fe)_n Schicht 26, in der Ni-Schichten 24 mit einer Dicke von 2 nm und Fe-Schichten 25 mit einer Dicke von 2 nm abwechselnd geschichtet sind, und eine Cu-Schicht 23 mit einer Dicke von 5 nm aufweisen, die nacheinander zu schichten sind.
Die künstliche Mehrfachschicht wird durch [(Ni/Fe)_n/Cu/Co/Cu]_n dargestellt. In dieser künstlichen Mehrfachschicht ist die (Ni/Fe)_n-Schicht eine weiche Schicht, die Cu-Schicht eine nichtmagnetische Schicht und die Co-Schicht eine harte Schicht.
Das Ergebnis, bei dem der Magnetwiderstandseffekt der künstlichen Mehrfachschicht in einer kleineren Schleife von ±10 Oe gemessen wird, in der die Richtung der uniaxialen magnetischen Anisotropie parallel zu der des externen Magnetfeldes ist, ist in 6 dargestellt. 6 entnimmt man, dass eine schwache Hysterese beobachtet wird, aber die relative Änderung des spezifischen Widerstands mit dem Magnetfeld stufenartig geändert wird.
Beispiel 7
Eine in 7 dargestellte künstliche Mehrfachschicht wurde gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch Verwenden eines Ionenstrahl-Sputtergeräts von 1A hergestellt. Als Substrat wurde Quarzglas verwendet, und als Ziele wurden Permalloy (Ni₈₀Fe₂₀), Cu, Co, eine Gd-Co-Verbindung und Ag verwendet. Während der Schichtbildung wurde eine Substrattemperatur auf 150 bis 400°C eingestellt. Zwei Paar Helmholtz-Spulen 17a, 17b, die in 1C dargestellt sind, wurden nahe einem Substrathalter angeordnet, und die Mehrfachschicht wurde in einem Magnetfeld von 100 Oe gebildet.
Diese künstliche Mehrfachschicht hat einen Aufbau, in dem eine Permalloy- (Ni₈₀Fe₂₀) -Schicht 32, eine Cu-Schicht 33, eine Co-Schicht 24, eine Gd-Co-Schicht 35 und eine Ag-Schicht 36 auf einem Quarzglassubstrat 21 nacheinander geschichtet sind.
Diese künstliche Mehrfachschicht wird als Permalloy/Cu/(Co/Gd-Co)/Ag dargestellt. In der künstlichen Mehrfachschicht ist die Permalloy-Schicht eine weiche Schicht, die Cu-Schicht eine nichtmagnetische Schicht, die Co-Schicht eine harte Schicht, hat die Gd-Co-Schicht eine Wirkung, um der Co-Schicht eine Austausch-Rnisotropie aufzuprägen, und ist die Ag-Schicht eine Schutzschicht.
Die uniaxiale magnetische Anisotropie wurde in zwei, in 8A und 8B dargestellten Kombinationen eingeführt, indem die Verwendung irgendeiner der Helmholtz-Spulen 17a und 17b ausgewählt wurde. In 8 ist die Richtung der uniaxialen magnetischen Anisotropie durch durchgezogene Pfeile bezeichnet. Das heißt, in 8A ist als Beispiel, das für das Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, die Richtung der in die weiche Schicht eingeführten uniaxialen magnetischen Anisotropie parallel zu der der in die harte Schicht eingeführten uniaxialen magnetischen Anisotropie.
Andererseits ist in 8B gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Richtung der in die weiche Schicht eingeführten uniaxialen magnetischen Anisotropie senkrecht zu der der in die harte Schicht eingeführten uniaxialen magnetischen Anisotropie gekreuzt.
Die Magnetwiderstandseffekte der künstlichen Mehrfachschichten, die wie oben beschrieben erhalten wurden, wurden in einer kleineren Schleife von ±20 Oe gemessen. Zur Zeit der Messungen war die Richtung der in die harte Schicht eingeführten uniaxialen magnetischen Anisotropie parallel zu der des externen Magnetfeldes (bezeichnet durch einen gestrichelten Pfeil in 8). Daher beträgt der zwischen der Richtung der uniaxialen magnetischen Anisotropie der weichen Schicht und der Richtung des externen Magnetfeldes gebildete Winkel 0° oder 90°. Diese Ergebnisse sind in 9A bzw. 9B dargestellt.
Wie aus 9A und 9B ersichtlich ist, ist der Gradient der relativen Änderung des spezifischen Widerstands bei Änderung des Magnetfeldes, d. h. (Δρ/ρ₀)/ΔH, im Fall θ = 0° am steilsten, wobei eine stufenartige Änderung gezeigt wird, und im Fall θ = 90° am schwächsten. Diesen Ergebnissen entnimmt man, dass der Gradient (Δρ/ρ₀)/ΔH durch Einstellen der Richtung der uniaxialen magnetischen Anisotropie der weichen Schicht auf einen willkürlichen Winkel θ zur Richtung des externen Magnetfeldes gesteuert werden kann.
Beispiel 8
Eine in 10 dargestellte künstliche Mehrfachschicht wurde gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung durch Verwenden eines Ionenstrahl-Sputtergeräts von 1A hergestellt. Als Substrat wurde Quarzglas verwendet, und als Ziele wurden Ni, Fe, Cu, Co, eine Gd-Co-Verbindung und Ag verwendet. Zwei Paar Helmholtz-Spulen 17a und 17b, die in 1C dargestellt sind, wurden nahe dem Substrathalter angeord net, und in einem Magnetfeld von 100 Oe wurde eine Mehrfachschicht gebildet.
Diese künstliche Mehrfachschicht hat einen Aufbau, in dem eine (Ni/Fe)_n-Schicht 44, in der Ni-Schichten 42 und Fe-Schichten 43 abwechselnd geschichtet sind, eine Cu-Schicht 45, eine Co-Schicht 46, eine Gd-Co-Schicht 47 und Ag-Schicht 48 auf einem Quarzglassubstrat 21 nacheinander geschichtet sind.
Diese künstliche Mehrfachschicht wird als (Ni/Fe)_n/Cu/(Co/Gd-Co)/Ag ausgedrückt. In dieser künstlichen Mehrfachschicht ist die (Ni/Fe)_n-Schicht eine weiche Schicht, die Cu-Schicht eine nichtmagnetische Schicht, die Co-Schicht eine harte Schicht, hat die Gd-Co-Schicht eine Wirkung, um der Co-Schicht eine Austausch-Anisotropie aufzuprägen, und ist die Ag-Schicht ein Schutzfilm.
Ähnlich dem Beispiel 7 wurde die uniaxiale magnetische Anisotropie in zwei Kombinationen, wie in 8A und 8B gezeigt ist, in die weichen und harten Schichten eingeführt, indem die Verwendung irgendeiner der Helmholtz-Spulen 17a und 17b ausgewählt wurde, und eine künstliche Mehrfachschicht wurde hergestellt.
Die Magnetwiderstandseffekte der künstlichen Mehrfachschichten wurden in einer kleineren Schleife von ±20 Oe gemessen. Zur Zeit der Messungen wurde die Richtung des externen Magnetfeldes mit der der in die harte Schicht eingeführten uniaxialen magnetischen Anisotropie in Übereinstimmung gebracht. Sogar in diesem Fall wurden Ergebnisse ähnlich denjenigen des Beispiels 7 (in 9A und 9B) erhalten, und eine Hysterese wurde im Vergleich zu der des Beispiels 7 etwas reduziert.
Beispiel 9
In den oben beschriebenen Beispielen wurden die künstlichen Mehrfachschichten unter Verwendung des Ionenstrahl-Sputtergeräts hergestellt. Die künstliche Mehrfachschicht kann jedoch auch unter Verwendung eines anderen Geräts, wie z.B. eines HF-Magnetron-Sputtergeräts, hergestellt werden.
11 zeigt ein in diesem Beispiel als Beispiel, das für das Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, verwendetes HF-Magnetron-Sputtergerät. Eine Atmosphäre in einer Kammer 51 wird aus einer Ausströmöffnung 52 abgepumpt, und Ar-Gas wird von einem Gaseinlass 53 in die Kammer 51 eingeführt. Oben in der Kammer 51 wird ein Substrat 54 gehalten. Im unteren Teil der Kammer 51 werden dem Substrat 54 gegenüberliegend Ziele 55 gehalten, und an den Zielen 55 sind auf den Seiten zum Substrat 54 Blenden 56 vorgesehen. Von einer HF-Energieversorgung 57 wird durch einen Anpassungskasten 58 ein elektrisches Feld an die Ziele 55 angelegt. Ein Magnetfeld wird durch Magnete 59 in einem Raum zwischen den Zielen 55 und dem Substrat 54 angelegt.
Eine künstliche Mehrfachschicht mit Schichten aus Fe/Cr als Beispiel, das für das Verständnis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, wurde unter Verwendung des HF-Magnetron-Sputtergeräts von 11 hergestellt. Als das Substrat 54 wurde MgO verwendet, und als die Ziele 55 wurden Fe und Cr verwendet. Die Kammer wurde bis auf 5 × 10^–6 Torr ausgepumpt. Die Bedingungen zum Bilden der Schichten aus Fe und Cr wurden auf die beiden, in Tabelle 3 dargestellten Arten von Bedingungen eingestellt. Die Blenden 56 der Ziele 55 wurden abwechselnd geöffnet und geschlossen, um die Mehrfachschicht zu bilden, und zwei Arten von künstlichen Mehrfachschichten, Proben A und B, wurden hergestellt, die durch (t_Fe/t_Cr)_n = (2,7/1,3)₁₀ dargestellt werden.
Tabelle 3
Röntgenstrahlbeugungsmuster der wie oben beschrieben hergestellten künstlichen Mehrfachschichten sind in 12A und 12B dargestellt. Bezüglich der Probe A wurden tertiäre Spitzen beobachtet, was die Periodizität der künstlichen Mehrfachschicht widerspiegelt. Bezüglich der Probe B wurden andererseits nur sekundäre Spitzen beobachtet. Aus diesen Ergebnissen versteht man, dass die Grenze zwischen der Fe-Schicht und der Cr-Schicht in der Probe A relativ scharf ist; mit anderen Worten, ein Mischen von Fe-Atomen und Cr-Atomen fand in der Grenze kaum statt. Da die tertiären Spitzen andererseits in der Probe B nicht beobachtet werden, versteht es sich, dass in der Grenze der Fe-Schicht und Cr-Schicht ein Mischen von Fe- und Cr-Atomen stattfand.
13A und 13B zeigen die Magnetwiderstandseffekte der künstlichen Mehrfachschicht der Probe A, wenn die Richtung des Magnetfeldes senkrecht zu der des Stroms gekreuzt wurde und die Richtungen beide parallel waren. Wie aus 13A und 13B ersichtlich ist, ist die relative Änderung des spezifischen Widerstands, wenn die Richtung des Magnetfeldes senkrecht zu der des Stroms gekreuzt wurde (13A), größer als die, wenn die Richtungen des Magnetfeldes und des Stroms parallel waren (13B). In 13A wurde eine relative Änderung des spezifischen Widerstands von 10% beobachtet, wenn das Magnetfeld mit 3 kOe angelegt wurde.
Im Fall der Probe B waren, obwohl nicht dargestellt, die Vorzeichen der relativen Änderung des spezifischen Widerstands entsprechend den Richtungen des Magnetfeldes und des Stroms, die entweder senkrecht oder parallel sind, verschieden (Plus oder Minus). Die Größe der relativen Änderung des spezifischen Widerstands war mit bis zu 0,5% oder weniger sehr gering. Diese Ergebnisse zeigen einen ähnlichen Magnetwiderstandseffekt, der im allgemeinen im ferromagnetischen Material, wie z.B. Ni, beobachtet wird, in dem der Effekt wie die künstliche Mehrfachschicht nicht vorhanden ist.
Den oben beschriebenen Ergebnissen entnimmt man, dass, weil die das Substrat erreichenden Metallatome unter den allgemeinen Schichtbildungsbedingungen gemäß dem HF-Magnetron-Sputtergerät (z.B. Ar-Druck: 3–5 × 10^–3 Torr, Bildungsrate: 0,1 nm/s oder mehr) eine sehr hohe Energie haben, Atome auf dem Substrat durchaus mobil sind und ein Mischen der Atome in den Laminatschichten auftritt und daher die künstliche Mehrfachschicht mit einer scharfen Grenze nicht erhalten werden kann.
Wenn die HF-Energie bzw. -Leistung in einem für Sputtern tauglichen Bereich, wie der Bedingung für die Probe A, verringert wird, wird im Gegensatz dazu die künstliche Mehrfachschicht mit einer scharfen Grenze ohne weiteres erhalten. Genauer gesagt, ist es vorzuziehen, die HF-Leistung für die Bildung der Schichten auf 400 W oder weniger im Fall von Fe und 200 W oder weniger im Fall von Cr einzustellen. Wenn jedoch die HF-Leistung extrem reduziert ist, kann eine stabile Bildungsrate nicht erhalten werden. Daher ist es vorzuziehen, die HF-Leistung auf 200 W oder mehr für Fe-Schichten und auf 50 W oder mehr für Cr-Schichten einzustellen. Es ist ebenfalls effektiv, die Energie der das Substrat erreichen den Metallatome zu reduzieren, indem der Ar-Druck gemäß dem gleichen oben beschriebenen Grund auf 7 × 10^–7 Torr oder mehr eingestellt wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Riesenmagnetwiderstandsvorrichtung in folgenden Stufen: Ausbilden eines mehrlagigen Gebildes aus ferromagnetischen und nichtmagnetischen Laminatschichten auf einem Substrat derart, dass eine nichtmagnetische Schicht zwischen die ferromagnetischen Schichten eingefügt ist, wobei die Dicke der ferromagnetischen Schichten 0,5 bis 20 nm beträgt; Einführen uniaxialer magnetischer Anisotropie in die ferromagnetischen Schichten in vorgegebenen Richtungen, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrlagige Gebilde auf einem nicht-einkristallinen Substrat gebildet wird und dass die uniaxialen magnetischen Anistropien in zwei an eine nichtmagnetische Schicht grenzende ferromagnetische Schichten durch Anlegen eines Magnetfelds längs der Oberfläche der ferromagnetischen Schichten während einer Wärmebehandlung nach der Bildung des mehrlagigen Gebildes eingeführt werden, wobei der Winkel, der zwischen den Richtungen der uniaxialen magnetischen Anistropien, die in die zwei an eine nichtmagnetische Schicht grenzenden ferromagnetischen Schichten eingeführt werden sollen, gebildet wird, 30° bis 90° beträgt, und wobei eine der zwei an eine nichtmagnetische Schicht grenzenden ferromagnetischen Schichten aus einer weichmagnetischen Schicht und die andere der zwei angrenzenden ferromagne tischen Schichten aus einer hartmagnetischen Schicht besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetischen Schichten aus mindestens einem Bestandteil, der aus der Gruppe von Fe, Co, Ni und deren Legierungen und Verbindungen ausgewählt ist, bestehen und die nichtmagnetischen Schichten aus mindestens einem Bestandteil, der aus der Gruppe von V, Cr, Cu, Au und deren Legierungen und Verbindungen ausgewählt ist, bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der nichtmagnetischen Schichten 0,5 bis 20 nm beträgt und die Gesamtdicke der Laminatschichten 30 bis 500 nm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-einkristalline Substrat ein Glassubstrat ist.