DE69305933T2

DE69305933T2 - Magnetoresistives Element

Info

Publication number: DE69305933T2
Application number: DE69305933T
Authority: DE
Inventors: Koichiro Inomata; Shiho Okuno; Yoshiaki Saito; Yoshinori Takahashi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-08-03
Filing date: 1993-08-03
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2013-08-04
Also published as: EP0582465B1; DE69305933D1; EP0582465A1; JP3381957B2; JPH06104506A; US5365212A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetoresistenzeffektelement, das eine künstliche, magnetische, dünne Gitterschicht und ein hohes magnetoresistives Verhältnis hat.
Magnetoresistenzeffektelemente, die den Magnetoresistenzeffekt ausnutzen, wurden in vielfältigen Anwendungsfällen wie magnetischen Sensoren und Magnetköpfen verwendet. Ein Magnetoresistenzeffektelement mit einem magnetischen Körper hat eine hervorragende Temperaturstabilität und einen weiten Temperaturbereich. Eine dünne Permalloyschicht mit einem magnetoresistiven Verhältnis von etwa 2% wird vielfach in einem herkömmlichen Magnetoresistenzeffektelement mit einem magnetischen Körper verwendet. Mit diesem Element kann jedoch keine hinreichend hohe Empfindlichkeit erzielt werden, da die dünne Permalbyschicht ein niedriges magnetoresistives Verhältnis hat.
Im Gegensatz hierzu hat in den letzten Jahren eine künstliche, magnetische, dünne Gitterschicht mit einer mehrlagigen Struktur aus magnetischen und nichtmagnetischen Schichten, die wechselweise bis zu einer jeweiligen Größenordnung von einigen bis zu einigen zehn Å aufeinandergestapelt wurden, so daß die obere und die untere magnetische Schicht magnetisch durch eine entsprechende nichtmagnetische Schicht in antiparalleler Weise verbunden sind, größte Aufmerksamkeit erfahren, da die künstliche, magnetische, dünne Gitterschicht einen hohen magnetoresistiven Effekt zeigt. Künstliche magnetische, dünne Gitterschichten wie (Fe/Cr)n (Phys. Rev. Lett., Jahrg. 61, Seite 2472 (1988)) und (Co/Cu)n (J. Mag. Mag. Mat.; Jahrg. 94, Seite 1.1 (1991)) wurden entwickelt. Diese Schichten haben einen magnetoresistiven Effekt, der um das 10fache oder mehr über demjenigen einer herkömmlichen Permalloy-Dünnschicht liegt. Wenn Anwendungen für ein Magnetoresistenzeffektelement oder dergleichen in Betracht gezogen werden, ist der Magnetoresistenzeffekt der herkömmlichen künstlichen dünnen Gitterschicht nicht hinreichend. Diese künstliche dünne Gitterschicht hat eine magnetische Sättigungsfelddichte von mehreren kOe. Deshalb ist es bei Anwendungen mit Magnetoresistenzeffektelementen schwierig, eine hohe Empfindlichkeit bei geringen Änderungen des Magnetfelds zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung entstand vor dem Hintergrund der obigen Situation und hat die Aufgabe, ein Magnetoresistenzeffektelement bereitzustellen, das in der Lage ist, ein hohes magnetoresistives Verhältnis zu erzielen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetoresistenzeffektelement bereitzustellen, das einen niedrigen magnetischen Sättigungsfeldpegel hat und in der Lage ist, ein hohes magnetoresistives Verhältnis bei einer geringen Änderung des magnetischen Feldes zu erzielen.
Nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetoresistenzeffektelement bereitgestellt, das magnetische Schichten, Mischschichten aus einer Mischung eines ferromagnetischen Elements und eines nichtferromagnetischen Elements, und mindestens eine nichtmagnetische Schicht enthält, wobei die magnetischen, die Misch- und die nichtmagnetischen Schichten gestapelt sind, um einen magnetoresistiven Effekt zu zeigen, und wobei jede der Mischschichten zwischen einer magnetischen Schicht und der mindestens einen nichtmagnetischen Schicht liegt, und wobei 2(X&sub1;/Xn)/n größer ist als 1,1, wobei n die Anzahl der Atomschichten in den Mischschichten ist, X&sub1; eine Atomkonzentration (%) des ferromagnetischen Elements einer Atomschicht nächst den magnetischen Schichten, und Xn eine Atomkonzentration (%) des ferromagnetischen Elements einer n-ten Atomschicht nächst der mindestens einen nichtmagnetischen Schicht.
Entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetoresistenzeffektelement bereitgestellt, daß mehrere Lagen aus magnetischen Schichten und mindestens einer nichtmagnetischen Schicht hat, wobei die mindestens eine aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff gebildete nichtmagnetische Schicht ein elementares Metall oder dessen Legierung in magnetischer Polarisation in der Metallmatrix des nichtferromagnetischen Werkstoffs infolge der Anwesenheit der magnetischen Schichten enthält, und die magnetischen und nichtmagnetischen Schichten derart aufeinandergestapelt sind, daß ein Magnetoresistenzeffekt entsteht.
Vorzugsweise umfaßt jede der mindestens einen magnetischen Schichten eine erste nichtmagnetische Schicht und ein Paar von zweiten nichtmagnetischen Schichten, wobei die zweiten nichtmagnetischen Schichten zwischen die magnetischen Schichten und die ersten nichtmagnetischen Schichten eingebettet sind und das elementare Metall oder dessen Legierung in magnetischer Polarisation in der Metallmatrix des nichtferromagnetischen Metalls der zweiten nichtmagnetischen Schichten infolge der der Anwesenheit der magnetischen Schichten enthalten ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetoresistenzeffektelement bereitgestellt, das in der Lage ist, ein hohes magnetoresistives Verhältnis zu erzielen, und ein Magnetoresistenzeffektelement, das einen niedrigen magnetischen Sättigungsfeldpegel hat und in der Lage ist, ein hohes magnetoresistives Verhältnis bei einer geringen Änderung des magnetischen Feldes zu erzielen.
Die Erfindung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich; es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Schichtenstruktur eines Magnetoresistenzeffektelements nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Schichtenstruktur eines Magnetoresistenzeffektelements nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung der Schichtenstruktur eines Magnetoresistenzeffektelements nach dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Darstellung eines Berechnungsmodells und eines Berechnungsverfahrens für die Computersimulation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5A und 5B graphische Darstellungen der Zusammenhänge zwischen den elektrischen Widerständen und den Volumenstreuungsfaktoren in Fe/Cr-Systemen als Beispiele der Computersimulation in Fig. 4;
Fig. 6A und 6B graphische Darstellungen der Zusammenhänge zwischen den elektrischen Widerständen und den Volumenstreuungsfaktoren in Co/Cr-Systemen als Beispiele der Computersimülation in Fig. 4;
Fig. 7 eine graphische Darstellung des Ergebnisses der Simulation des Einflusses einer Mischschicht auf den MR-Wert in dem Fe/Cr-System;
Fig. 8 eine graphische Darstellung des Ergebnisses der Simulation des Einflusses einer Mischschicht auf den MR-Wert in dem Co/Cr-System;
Fig. 9 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der &sup5;&sup9;Co-Kernspinecho-Intensität einer mehrlagigen Schicht a in Beispiel 2;
Fig. 10 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der &sup5;&sup9;Co-Kernspinecho-Intensität einer mehrlagigen Schicht b in Beispiel 2;
Fig. 11 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der &sup5;&sup9;Co-Kernspinecho-Intensität einer mehrlagigen Schicht c in Beispiel 2;
Fig. 12 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der &sup5;&sup9;Co-Kernspinecho-Intensität einer mehrlagigen Schicht d in Beispiel 2;
Fig. 13A bis 16B Darstellungen der Konzentrationsverteilungen von magnetischen Atomen der mehrlagigen Schicht a in Beispiel 2;
Fig. 17 eine graphische Darstellung des magnetoresistiven Verhältnisses als eine Funktion des magnetischen Feldes der mehrlagigen Schicht a in Beispiel 2;
Fig. 18 eine graphische Darstellung des magnetoresistiven Verhältnisses als eine Funktion des magnetischen Feldes der mehrlagigen Schicht b in Beispiel 2;
Fig. 19 eine graphische Darstellung des magnetoresistiven Verhältnisses als eine Funktion des magnetischen Feldes der mehrlagigen Schicht c in Beispiel 2;
Fig. 20 eine graphische Darstellung des magnetoresistiven Verhältnisses als eine Funktion des magnetischen Feldes der mehrlagigen Schicht d in Beispiel 2;
Fig. 21A und 21B graphische Darstellungen der magnetoresistiven Effekte einer künstlichen dünnen Gitterschicht aus Co/Cu1-xNix in Beispiel 3;
Fig. 22 eine graphische Darstellung einer Änderung Δp der Magnetoresistenz als Funktion der Ni-Konzentration und eine negative Interaktion J zwischen den Schichten in der künstlichen dünnen Co/Cu1-xNix- Gitterschicht in Beispiel 3;
Fig. 23 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Dicke der nichtmagnetischen Schicht und dem magnetoresistiven Effekt in Beispiel 3;
Fig. 24 eine graphische Darstellung einer Änderung Δp bei 77 K, wenn die Dicke einer jeden Cu1-xNix von 0 auf 6 Å geändert wird, so daß die Gesamtdicke der Lagen Cu1-xNix/Cu/Cu1-xNix entsprechend der ersten Spitze der anti-ferromagnetischen Kopplung gegeben ist; und
Fig. 25 eine Schnittdarstellung der Lagenstruktur eines Magnetoresistenzeffektelements nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden detailliert unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetoresistenzeffektelement bereitgestellt, das mehrere Lagen enthält, in denen magnetische Schichten und jeweils aus einer Mischung eines ferromagnetischen Elements und eines nicht-ferromagnetischen Elements gebildete Mischschichten und nichtmagnetische Schichten aufeinandergestapelt sind, so daß ein Magnetoresistenzeffekt entsteht, wobei jede der Mischschichten zwischen der magnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht liegt, und 2 × (X&sub1;/Xn)/n größer ist als 1,1, wobei n die Anzahl der Atomschichten der Mischschicht, X&sub1; eine Atomkonzentration (%) des ferromagnetischen Elements einer Atomschicht nächst der magnetischen Schicht, und Xn eine Atomkonzentration (%) des ferromagnetischen Elements einer n-ten Atomschicht nächst der nichtmagnetischen Schicht ist.
Diese Struktur basiert auf der Erkenntnis der Erfinder, daß wenn jede Mischschicht eines vorgegebenen ferromagnetischen Elements und eines vorgegebenen nichtferromagnetischen Elements zwischen der magnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht liegt, die mehreren Lagen ein höheres magnetoresistives Verhältnis aufweisen.
Genauer gesagt, 2(X&sub1;/Xn)/n ist größer als 1,1, wobei n die Anzahl der Atomschichten in den Mischschichten zwischen der magnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht, X&sub1; eine Atomkonzentration (%) des ferromagnetischen Elements einer Atomschicht nächst der magnetischen Schicht, und Xn eine Atomkonzentration (%) des ferromagnetischen Elements einer n-ten Atomschicht nächst der nichtmagnetischen Schicht ist. Daher kann ein sehr hohes magnetoresistives Verhältnis erzielt werden
Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung eines Magnetoresistenzeffektelements nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieses Magnetoresistenzeffektelement hat mehrere Lagen 5, in denen eine magnetische Schicht 1, eine Mischschicht 2 und eine nichtmagnetische Schicht 3 wiederholt auf einem Substrat 4 aufeinandergestapelt sind.
Die magnetische Schicht 11 ist aus einem ferromagnetischen Element wie Co, Fe oder Ni oder dessen Legierung gebildet. Der ferromagnetische Werkstoff für die magnetische Schicht 1 ist jedoch nicht auf einen spezifischen begrenzt, wenn nur der magnetische Werkstoff einen Magnetoresistenzeffekt zeigt. Die magnetische Schicht 1 hat eine Dicke tM (Angström mit dem Einheitenzeichen Å) und fällt damit in den Bereich 2 Å ≤ tM ≤ 100 Å, und genauer gesagt 4 Å ≤ tM ≤ 80 Å (1 Å = 0,1 nm).
Der Werkstoff der nichtmagnetischen Schicht 3 ist nicht auf einen spezifischen begrenzt, sofern die Schicht 3 aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff besteht, der einen magnetoresistiven Effekt zeigt. Beispiele für diesen Werkstoff sind Elemente, die bei Raumtemperatur ein paramagnetisches Verhalten zeigen (z.B. Cu, Cr, Au, Ag oder Ru) und Legierungen mit diesen Elementen. Die nichtmagnetische Schicht 3 hat eine Dicke tN (Angström mit dem Einheitenzeichen Å) im Bereich von 2 Å ≤ tN ≤ 100 Å und vorzugsweise von 9 Å ≤ tN ≤ 50 Å.
Die Mischschicht 2 ist durch Mischung eines ferromagnetischen Elements und eines nichtferromagnetischen Elements gebildet. Das ferromagnetische Element wird so gemischt, daß es ein Konzentrationsgefälle in Abhängigkeit von den Atomschichten von der magnetischen Schicht 1 zur nichtmagnetischen Schicht 3 hat. Dieses Konzentrationsgefälle ist vorzugsweise steil, und 2(X&sub1;/Xn)/n ist größer als 1,1, wobei X&sub1; die Atomkonzentration (%) des ferromagnetischen Elements einer Atomschicht nächst der magnetischen Schicht 1 und XN die Atomkonzentration (%) des ferromagnetischen Elements einer n-ten Atomschicht nächst der nichtmagnetischen Schicht 3 ist. Vorzugsweise ist 2(X&sub1;/Xn)/n größer als 1,5. Der Konzentrationsgradient hängt von den Bedingungen der Schichtenbildung ab. Zum Beispiel hängt bei Verwendung eines Ionenstrahl-Sprühverfahrens der Konzentrationsgradient von verschiedenen Bedingungen wie dem relativen Abstand zwischen einem Substrat und einem Target in einer Schichtauftragungsvorrichtung, der Beschleunigungsspannung, der anfänglichen Vakuumhöhe, dem Gasdruck, der Schichtbildungstemperatur und dem Strom ab. In diesem Fall ist X&sub1; vorzugsweise größer als 60%, und XN ist vorzugsweise kleiner als 40%. Die Mischschicht 2 hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 1,2 Å ≤ tX ≤ 10 Å, um ein höheres magnetoresistives Verhältnis zu erzielen.
Wenn die Wahrscheinlichkeit einer Konzentration von magnetischen Atomen um ein gegebenes magnetisches Atom in der Mischschicht durch Gleichung (1) gegeben ist:
P(X&sub1;) = X&sub1; + α&sub1;(1 - X&sub1;) ... (1)
(wobei X&sub1; die Konzentration der magnetischen Atome der i-ten Schicht der Mischschicht und α&sub1; eine Ordnungszahl angibt; die Ordnungszahl α&sub1; repräsentiert den Lokalisierunggrad in -1 ≤ α&sub1; ≤ 1; bei α&sub1; = 0 wird eine willkürliche Anordnung von Atomen gebildet; bei α&sub1; < 0 wird ein geordneter Zustand gebildet; und bei α&sub1; > 0 wird ein Cluster gebildet), erfüllt α&sub1; in Gleichung (1) vorzugsweise die Bedingung -0,3 ≤ α&sub1; ≤ 0,3.
Bei der Bildung eines gewünschten Magnetoresistenzeffektelements durch aufeinanderfolgendes Stapeln der obigen Schichten ist die Anzahl der Schichten nicht auf eine bestimmte Zahl begrenzt, sondern kann willkürlich bestimmt werden. Die Anzahl der Einheitsschichten liegt allgemein innerhalb eines Bereichs von 2 bis 100.
Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nunmehr beschrieben. Ein Magnetoresistenzeffektelement umfaßt mehrere Lagen, in denen magnetische Schichten und nichtmagnetische Schichten ein elementares Metall oder dessen Legierung in magnetischer Polarisation in der Metallmatrix des nichtferromagnetischen Werkstoffs infolge der Anwesenheit der magnetischen Schichten enthalten, und die magnetischen und nichtmagnetischen Schichten derart aufeinandergestapelt sind, das ein Magnetoresistenzeffekt entsteht.
Diese Struktur basiert auf der Erkenntnis der Erfinder, daß beim Hinzufügen eines Elements wie Ni zur teilweisen Substitution von Cu der nichtmagnetischen Schicht ein negativer Austauschmechanismus zwischen der ferromagnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht aufgrund der magnetischen Polarisierung (Spinpolarisierung) des dazugefügten Elements an der Grenzfläche zwischen der ferromagnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht reduziert wird, so daß die magnetische Sättigungsfelddichte reduziert wird, und die Änderung Δp der Magnetoresistenz erhöht wird.
Die magnetischen Schichten und die nichtmagnetischen Schichten, die ein aufgrund des Vorhandenseins der magnetischen Schicht magnetisch polarisiertes Element enthalten, sind wechselweise aufeinandergestapelt, um mehrere Lagen zu erhalten. Mit dieser Struktur kann das magnetische Sättigungsfeld minimiert werden. Gleichzeitig wird die Änderung Δp der Magnetoresistenz erhöht.
Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung eines Magnetoresistenzeffektelements entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Magnetoresistenzeffektelement umfaßt mehrere Lagen 14, die durch wechselweises Aufeinanderstapeln von magnetischen Schichten 11 und nichtmagnetischen Schichten 12 auf einem Substrat 13 erhalten werden.
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel wird die magnetische Schicht 11 aus einem ferromagnetischen Element wie Co, Fe oder Ni oder dessen Legierung gebildet. Der ferromagnetische Werkstoff für die magnetische Schicht 11 ist jedoch nicht auf einen bestimmten beschränkt, sofern der ferromagnetische Werkstoff einen magnetoresistiven Effekt zeigt.
Die nichtmagnetische Schicht 12 zeigt paramagnetische Eigenschaften bei Raumtemperatur als eine einzelne Schicht, die ein elementares Metall oder dessen Legierung in magnetischer Polarisation in der Metallmatrix des nichtferromagnetischen Werkstoffs infolge der Anwesenheit der magnetischen Schicht enthält. Beispiele solcher Zusätze sind ein ferromagnetisches Element, ein Element wie Pt oder Pd, die leicht magnetisch polarisierbar sind, und deren Legierungen. Der Zusatz wird vorzugsweise durch mindestens einen Werkstoff aus der Gruppe Ni, Mn, Pt, Pd, Rh, Co und Fe oder dessen Legierung gebildet. Das Matrixmetall dieser Schicht kann ein nichtferromagnetisches Element sein wie Mo, Nb oder Al oder eine nichtferromagnetische Legierung, und vorzugsweise ein elementares Edelmetall wie Cu, Au oder Ag.
Der Zusatz kann in einem solchen Ausmaß enthalten sein, das es zuläßt, daß die Schicht paramagnetische Eigenschaften als Einzelschicht bei Raumtemperatur aufweisen kann und eine Lösung des Zusatzes in der Metallmatrix bewirkt wird. Der Anteil des Zusatzes variiert in Abhängigkeit vom Matrixmetall und von den Zusatzelementen und beträgt 25 atm% oder weniger für Cu-Mn, 43 atm% oder weniger für Cu-Ni und 100 atm% oder weniger für Cu-Pt und Cu-Pd. Wenn der Anteil des Zusatzes in der nichtmagnetischen Schicht kleiner ist als 2 atm%, ist der Effekt des Zusatzes gering. Übersteigt jedoch der Anteil 20 atm%, ist es schwierig, eine antiparallele magnetische Kopplung zwischen den magnetischen Schichten zu erreichen. Im Ergebnis kann kein hohes magnetoresistives Verhältnis erzielt werden.
Die Dicke einer jeden Schicht wird geeignet festgelegt, um ein höheres magnetoresistives Verhältnis zu erhalten. Die magnetische Schicht 11 hat vorzugsweise eine Dicke von 2 Å bis 100 Å und noch besser von 5 Å oder mehr. Die nichtmagnetische Schicht 12 hat vorzugsweise eine Dicke von 2 Å bis 100 Å und noch besser von 5 Å oder mehr, und am besten von 8 bis 80 Å . Die Anzahl der Schichten ist nicht auf eine bestimmte Zahl begrenzt, sondern kann willkürlich festgelegt werden. Die Anzahl der Einheitsschichten liegt normalerweise im Bereich von 2 bis 100.
Das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nunmehr beschrieben. Ein Magnetoresistenzeffektelement umfaßt mehrere Lagen, in denen magnetische Schichten, erste nichtmagnetische Schichten und zweite nichtmagnetische Schichten, die jeweils zwischen die magnetische Schicht und die erste nichtmagnetische Schicht eingefügt sind und ein elementares Metall oder dessen Legierung in magnetischer Polarisation in der Metallmatrix des nichtferromagnetischen Werkstoffs infolge der Anwesenheit der magnetischen Schicht enthalten, und die magnetischen und nichtmagnetischen Schichten derart aufeinandergestapelt sind, das ein Magnetoresistenzeffekt entsteht.
Die Erfinder haben umfangreiche Studien an künstlichen, dünnen Gitterschichten, die magnetoresistive Effekte zeigen, durchgeführt. Es wurde festgestellt, daß beim Einfügen einer CuNi-Legierung, die durch teilweise Substitution von Cu in der nichtmagnetischen Schicht durch Ni erhalten wird, zwischen eine ferromagnetische Schicht und eine nichtmagnetische Schicht eine größere Änderung (Δ = &sub0; - n) der Magnetoresistenz als bei Co/Cu erhalten wird. Andererseits geht aus den Messungen der Magnetisierung dieser künstlichen dünnen Gitterschichten hervor, daß Ni in CuNi polarisiert ist. Dies zeigt, daß Ni in CuNi in der Nähe der Kontaktfläche zu Co polarisiert ist, die magnetische Zufälligkeit an der Kontaktfläche zwischen der magnetischen Atomebene und der nichtmagnetischen Atomebene wesentlich erhöht ist, und die von einem Elektronenspin abhängige Streuung verstärkt ist. Dies bedeutet, daß beim Einfügen nichtmagnetischer Schichten, die eine magnetisch polarisierte Substanz enthalten, zwischen die magnetischen und die nichtmagnetischen Schichten eine magnetische Zwischenstruktur in kontrollierter Weise künstlich erzeugt werden kann. Der Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels basiert auf dieser Feststellung. Die magnetische Zufälligkeit an der Kontaktfläche wird so kontrolliert, daß ein starker magnetoresistiver Effekt erhalten wird.
Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung, die ein Magnetoresistenzeffektelement nach dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Magnetoresistenzeffektelement enthält mehrere Lagen 25, wobei eine magnetische Schicht 21, eine erste nichtmagnetische Schicht 22 und eine zweite nichtmagnetische Schicht 23, die zwischen die magnetische Schicht 21 und die erste nichtmagnetische Schicht 22 eingefügt ist, wiederholt auf einem Substrat 24 angeordnet sind.
Wie im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist die magnetische Schicht 21 aus einem ferromagnetischen Element wie Co, Fe oder Ni oder dessen Legierung gebildet. Der ferromagnetische Werkstoff für die magnetische Schicht 21 ist jedoch nicht auf einen bestimmten beschränkt, sofern der magnetische Werkstoff einen magnetoresistiven Effekt zeigt.
Der Werkstoff der ersten nichtmagnetischen Schicht 22 ist nicht auf einen bestimmten begrenzt, sofern die Schicht 22 aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff besteht, der einen magnetoresistiven Effekt zeigt. Beispiele für diesen Werkstoff sind Mo, Nb und Al und vorzugsweise ein elementares Edelmatall wie Cu, Au oder AG.
Die nichtmagnetische Schicht 23 ist im wesentlichen identisch der nichtmagnetischen Schicht 12 des zweiten Ausführungsbeispiels und zeigt paramagnetische Eigenschaften bei Raumtemperatur als eine einzelne Schicht, die ein elementares Metall oder dessen Legierung in magnetischer Polarisation in der Metallmatrix des nichtferromagnetischen Werkstoffs infolge der Anwesenheit der magnetischen Schicht enthält. Beispiele solcher Zusätze sind ein ferromagnetisches Element, ein Element wie Pt oder Pd, die leicht magnetisch polarisierbar sind, und deren Legierungen. Der Zusatz wird vorzugsweise durch mindestens einen Werkstoff aus der Gruppe Ni, Mn, Pt, Pd, Rh, Co und Fe oder dessen Legierung gebildet. Das Matrixmetall dieser Schicht kann ein nichtferromagnetisches Element sein wie No, Nb oder Al oder eine nichtferromagnetische Legierung, und vorzugsweise ein elementares Edelmetall wie Cu, Au oder Ag. Insbesondere wird vorzugsweise der gleiche Werkstoff wie für die erste nichtmagnetische Schicht 22 verwendet.
Der Zusatz kann in einem solchen Ausmaß enthalten sein, das es zuläßt, daß die Schicht paramagnetische Eigenschaften als Einzelschicht bei Raumtemperatur aufweisen kann und eine Lösung des Zusatzes in der Metallmatrix bewirkt wird. Der Anteil des Zusatzes variiert in Abhängigkeit vom Matrixmetall und den Zusatzelementen und kann 50 atm% oder weniger betragen, sofern die paramagnetischen Eigenschaften erhalten bleiben.
Die Dicke einer jeden Schicht wird geeignet festgelegt, um ein höheres magnetoresistives Verhältnis zu erhalten. Die magnetische Schicht 21 hat vorzugsweise eine Dicke von 4 Å bis 100 Å, vorzugsweise von so Å oder weniger, und noch besser von 10 Å bis 50 Å. Die nichtmagnetische Schicht 22 hat vorzugsweise eine Dicke von 5 Å bis 80 Å und noch besser von 50 Å oder weniger. Die zweite nichtmagnetische Schicht 23 hat vorzugsweise eine Dicke von 1 Å bis 5 Å. Die Anzahl der Schichten ist nicht auf eine bestimmte Zahl begrenzt, sondern kann willkürlich festgelegt werden. Die Anzahl der Einheitsschichten liegt normalerweise im Bereich von 2 bis 100.
In jedem der obenbeschriebenen Ausführungsbeispiele wird jede der Schichten durch Ionenstrahlsprühen, HF-Sprühen oder durch Molekularstrahlepitaxie gebildet. Jedes Substrat kann verwendet werden, auf das mit einer dieser Methoden eine Schicht aufgebracht werden kann.
Vorzugsweise ist in jedem der obenbeschriebenen Ausführungsbeispiele eine Vormagnetisierungsschicht aufzubringen, die ein magnetisches Vormagnetisierungsfeld an die mehreren Lagen der Mehrlagenstruktur anlegt.
Fig. 25 zeigt ein Magnetoresistenzeffektelement, bei dem eine Vormagnetisierungsschicht 41 auf den mehreren Lagen 5 oder 14 oder 25 aufgebracht ist. Es ist anzumerken, daß das Bezugszeichen 42 eine leitfähige Schicht bezeichnet.
Der Werkstoff für die Vormagnetisierungsschicht 41 ist nicht auf einen bestimmten begrenzt, sofern die Schicht 41 ein geeignetes magnetisches Vormagnetisierungsfeld an die mehreren Lagen anlegen kann. Beispiele für den Werkstoff der Vormagnetisierungsschicht 41 sind ein ferromagnetischer Körper, der magnetisiert ist, FeMn-Legierungen und TbCo-Legierungen und dergleichen.

Beispiele

Die vorliegende Erfindung wird anhand ihrer Beispiele detailliert beschrieben.

(Beispiel 1)

Zur Erklärung der Theorie des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wurde eine Analyse mit Hilfe von Computersimulationen durchgeführt. In dieser Analyse wurden ein Fe/Cr-System mit einer magnetischen Fe-Schicht, einer nichtmagnetischen Cr-Schicht, einer Mischschicht mit Fe als ferromagnetischem Element und Cr als nichtferromagnetischem Element, und ein Co/Cr-System mit Co als ferromagnetischer Schicht, Cr als nichtmagnetischer Schicht und einer Mischschicht mit Co als ferromagnetischem Element und Cr als nichtferromagnetischem Element untersucht.
Fig. 4 zeigt ein Berechnungsmodell und ein Berechnungsverfahren für die Computersimulation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Dieses Modell ist geeignet, in einfacher Weise den Einfluß einer Mischschicht auf den magnetoresistiven Effekt in einer künstlich erzeugten, magnetischen dünnen Gitterschicht zu untersuchen.
Das Modell wurde als eine dünne mehrlagige Struktur festgelegt, bei der die obere und untere magnetische Schicht jeweils eine Dicke entsprechend zwei Atomen hat, eine nichtmagnetische Schicht als Zwischenschicht dient, die eine Dicke entsprechend drei Atomen hat, und jede der Mischschichten als Verbindungsschichten zwischen der oberen magnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht und zwischen der unteren magnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht eine Dicke entsprechen zwei Atomen hat. Das Modell wurde so festgelegt, daß es eine Breite entsprechend zwei Atomen und eine unendliche Länge aufweist. Die Kristallstruktur wurde als einfaches kubisches Gitter festgelegt.
Bei den Mischschichten ist die Konzentration der ferromagnetischen Atome einer Atomschicht nächst der magnetischen Schicht als (100 - p)% definiert, die Konzentration der ferromagnetischen Atome einer Atomschicht nächst der nichtmagnetischen Schicht als p%, und die der Mischatome als unbestimmt.
Das Berechnungsverfahren basiert auf einer Leitfähigkeitstheorie zur Berechnung einer elektrischen Leitfähigkeit in einer Dünnschichtstruktur (J. Phys. C: Solid St. Phys., Jahrg. 13, S. 1031 (1980), Z.Phys. B-Condensed Matter, Jahrg. 59, S. 385 (1985)). Gemäß dieser Theorie ist in einer künstlichen dünnen Gitterschicht mit einer Länge in x-Richtung entsprechend (N+1) Atomen die elektrische Leitfähigkeit XX (N+1) nach Anlegen eines elektrischen Feldes in x-Richtung durch eine elektrische Leitfähigkeit XX(N) für eine Länge entsprechend (N) Atomen, ein Matrixelement R(N+1)(E+iÅ) der Green-Funktion der (N+1)-ten Scheibenoberfläche, und eine Elektronen-Übertragungsmatrix V(N) zwischen der (N)-ten und der (N+1)-ten Scheibenoberfläche gegeben. In diesem Fall ist E+iγ eine komplexe Zahl, E die Energie der Leitungselektronen, und γ die Energie, die den Unschärfebereich eines Elektronenzustands bestimmt, der durch die Volumenstreuung aufgrund von Gitterschwingungen, Verunreinigungen, Gitterfehlern und gitterbedingten Nichtübereinstimmungen des künstlichen dünnen Gitterschichtsystems verursacht wird. In diesem Fall wird γ als ein Volumenstreufaktor bezeichnet.
R(N+1)(E+iγ) enthält Information einer Atommischung und eines Potentialfeldes zwischen I/O-Spinelektronen, wenn die magnetischen Momente der ferromagnetischen Schicht parallel zueinander (ferromagnetische Anordnung) oder antiparallel zueinander (antiferromagnetische Anordnung) ausgerichtet sind.
In der Computersimulation werden die Ergebnisse von Berechnungen der Elektronenenergiebänder (1991, J. Phys. Soc. Jpn., Jahrg. 60, S. 376) für die Potentialwerte der I/O- Spinelektronen bei Fe- und Cr-Atompositionen und die Potentialwerte der I/O-Spinelektronen bei den Co- und Cr-Atompositionen verwendet.
In der ferromagnetischen Anordnung folgt nach den obigen Bandberechnungergebnissen, daß eine Potentialdifferenz der I-Spinelektronen zwischen den ferromagnetischen Atompositionen und den nichtferromagnetischen Atompositionen viel größer ist als die Potentialdifferenz der O-Spinelektronen&sub6; Charakteristischerweise haben die O-Spinelektronen eine Potentialdifferenz Null im Fe/Cr-System, während die O-Spinelektronen im Co/Cr-System eine geringe Potentialdifferenz haben. In der antiferromagnetischen Anordnung erhalten die I-(oder O)-Spinelektronen ein Potentialfeld, bei dem eine Hälfte des an die I-Spinelektronen angelegten Potentials und eine Hälfte der O-Spinelektronen in der ferromagnetischen Anordnung miteinander gekoppelt sind.
Unter Verwendung der obigen Leitfähigkeitstheorie werden die elektrischen Leitfähigkeiten der I/O-Spinelektronen in der, ferromagnetischen Anordnung und der antiferromagnetischen Anordnung numerisch für p = 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% und 100% berechnet. Die elektrischen Widerstände FI(O) und AFI(O) werden außerdem aus den oben berechneten Werten erhalten. Zusätzlich werden F und AF aus den folgenden Gleichungen erhalten:
Das magnetoresistive Verhältnis der künstlichen magnetischen Gitterschicht wird erhalten zu:
MR = ( AF - F)/ F
Als Berechnungsbeispiele zeigen Fig. 5A und 5B den Zusammenhang zwischen den verschiedenen elektrischen Widerständen und den Volumenstreufaktoren γ/t in den Fe/Cr-Systemen mit p = 0% und 20%, und Fig. 6A und 6B zeigen den Zusammenhang zwischen den verschiedenen elektrischen Widerständen und den Volumenstreufaktoren γ/t in den Co/Cr-Systemen mit p = 0% und 20%. In diesem Fall ist t die Elektronen-Übergangsenergie zwischen den benachbarten Atomen. Die Berechnungsergebnisse für AF und F für p = 20% zeigen keinen großen Unterschied und sind in einem vergrößerten Maßstab dargestellt.
Wenn in einer dünnen mehrlagigen Struktur von unendlicher Länge keine Volumenstreuung und keine Streuung durch die Mischschichten vorliegt, bleibt das Moment der Elektronen in der Längserstreckung der dünnen Schicht erhalten, und der elektrische Widerstand muß Null sein. Die Ergebnisse der Fig. 5A und 6A für p = 0 geben dies als rechnerische Ergebnisse wieder.
Eine Mischung zwischen ferromagnetischen Atomen tritt in jeder Mischschicht mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auf, wobei ein Potentialaustausch stattfindet. Daher wird im allgemeinen ein Restwiderstand durch Streuung in der Mischschicht verursacht. Die O-Spinelektronen des Fe/Cr-Systems nehmen die Potentialstörungen in der Mischschicht nicht wahr, da die Potentialhöhen an den Positionen der Fe- und Cr-Atome einander gleich sind. Folglich wird kein Restwiderstand durch die Streuung der O-Spinelektronen in der Mischschicht verursacht.
Andererseits tritt ein Restwiderstand aufgrund von Streuung in der Mischschicht auf, da die O-Spinelektronen des Co/Cr- Systems eine geringfügige Potentialdifferenz haben.
Fig. 7 und 8 zeigen die Zusammenhänge zwischen p und MR (magnetoresistives Verhältnis), wenn die Werte γ/t als Parameter in den Fe/Cr- bzw. den Co/Cr-Systemen verwendet werden. Dies ist die Simulation des Einflusses der Mischschicht auf den MR-Wert. Wenn der p-Wert von 0% beginnend anwächst, tendiert der MR-Wert zu einer entsprechenden Zunahme. Wächst der p-Wert jedoch weiter gegen 100%, beginnt der MR-Wert wieder abzusinken.
Dies bedeutet, daß eine optimale Atommischungswahrscheinlichkeit der Mischschicht für den magnetoresistiven Effekt der künstlichen, magnetischen dünnen Gitterschicht vorliegt. Ein optimaler p-Wert liegt bei 30% bis 40% sowohl für Fe/Cr- als auch für Co/Cr-Systeme.
Ein experimenteller MR-Wert ist 82% bei einer Meßtemperatur von 4,2 K und 18% bei Raumtemperatur für das Fe/Cr-System (Phys. Rev. Lett., Jahrg. 61, 5. 2472 (1988)), und 2,5% (Temperatur nicht bekannt) für das Co/Cr-System (Phys. Rev. Lett., Jahrg. , S. 2304 (1990)).
Die Hauptursache für γ wird in einer Gitterschwingung vermutet. Demzufolge nimmt mit steigender Temperatur der γ-Wert mit dem Anstieg der Temperatur zu. Die Berechnungsergebnisse für das Fe/Cr-System bestätigen in vollem Umfang Größe und Temperaturgang im Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen. Für das Co/Cr-System wird sowohl experimentell als auch rechnerisch ein kleinerer MR-Wert als für das Fe/Cr- System erhalten.
Nach den Ergebnissen der Fig. 7 und 8 zeigt die Konzentrationsverteilung der ferromagnetischen Atome in der Mischschicht eine Korrelation mit dem MR-Wert. Es wurde nachge wiesen, daß für den Fall, daß die Konzentration der ferromagnetischen Atome der Atonschicht nächst der magnetischen Schicht auf 60% bis 70% gebracht ist, und die Konzentration der magnetischen Atome in der Atomschicht nächst der nichtmagnetischen Schicht mit 30% bis 40% gegeben ist, offensichtlich ein hoher MR-Wert erhalten werden kann.
Mehrlagige Muster von Fe/Cr- und Co/Cr-Systemen wurden auf Basis dieses Modells hergestellt und experimentell untersucht. Dabei wurden die gleichen Ergebnisse wie beim Simulationsmodell erhalten.
Dieser Zusammenhang ist nicht abhängig vom Typ der Atome der nichtmagnetischen Schicht, sondern kann gleichermaßen bei Verwendung von Cu, Ag oder Au für die nichtmagnetische Schicht erhalten werden.

(Beispiel 2)

Ein Magnetoresistenzeffektelement auf Basis des ersten Ausführungsbeispiels wurde unter Verwendung von magnetischen Schichten aus Co, nichtmagnetischen Schichten aus Cu und Mischschichten mit Co als einem ferromagnetischen Element und Cu als einem nichtferromagnetischen Element hergestellt.
Nachdem die relative Positionierung eines MgO-Substrats (110) und von Co- und Cu-Targets in einer Ionenstrahl-Sprüheinrichtung vorgenommen wurde, wurde die Kammer auf ein Vakuum von 6,66 × 10&supmin;&sup5; Pa (5 x 10&supmin;&sup7; Torr) gebracht. Ein Ar-Gas wurde einer Ionenstrahlkanone zugeführt, bis der Teildruck einen Wert von 1,73 × 10&supmin;² Pa (1,3 × 10&supmin;&sup4; Torr) erreicht hatte. Das Ar-Gas wurde ionisiert, um ein Sprühen mit einem Target-Strom von 30 mA durchzuführen, wobei die Beschleunigungsspannung in der Reihenfolge 400 eV, 600 eV, 1 keV und 1,4 keV geändert wurde.
Die Energien der Atome, die abwechselnd von den beiden Targets ausgetragen wurden, wurden über die Beschleunigungsspannungen verändert, und vier mehrlagige Anordnungen a, b, c und d entsprechend den Beschleunigungsspannungen (Vb) von, 400 eV, 600 eV, 1 keV und 1,4 keV und mit unterschiedlichen Konzentrationsgradienten der Mischschichten in Einheiten von Atomschichten wurden erhalten. Es wurden 100 Anordnungen mit dem Aufbau magnetische Schicht/Mischschicht/nichtmagnetische Schicht erhalten. Die Orientierungsebene der resultierenden dünnen Schicht war (110).
Die Konzentrationsverteilungen der magnetischen Elemente in den Mischschichten der vier verschiedenen mehrlagigen Strukturen wurden mittels NMR (Kernspinresonanz) gemessen. Eine verwendete NMR-Einrichtung war ein standardmäßiges Kernspinresonanz-Impulsspektrometer. Die Meßtemperatur betrug 4,2 K. Eine Spule wurde unmittelbar um jedes Muster gewickelt und mit Teflonband befestigt. Ein Spinechosignal wurde beobachtet, um dessen Frequenzspektrum aufzunehmen. Zur genauen Messung der Intensität des Spinechosignals wurde die Spin- Spin-Relaxation gemessen, um die Signalintensität zu korrigieren.
Die Fig. 9 bis 12 zeigen die Frequenzabhängigkeiten der Intensitäten der &sup5;&sup9;Co-Kernspinechos der Muster a bis d. Die Intensität des Spinechos ist durch das Quadrat der Frequenz korrigiert.
Wie aus den Fig. 9 bis 12 ersichtlich ist, steigt bei einer Erhöhung der Beschleunigungsspannung die Signalintensität in einem niederfrequenten Bereich an. Die durchgezogenen Linien repräsentieren die Meßergebnisse von sechs Gaußkurven für das Spinechospektrum nach der Methode der kleinsten Quadrate (in diesem Fall wurden die Breiten der Gaußkurven der sechs Spinechospektren einander gleichgesetzt).
Eine fcc-Struktur hat 12 nächststehende Atome. Die sechs Gaußkurven entsprechen in der Reihenfolge absteigender Frequenzen einem Gitterplatz, an dem Co von 12 Co-Atomen umgeben ist, einem Gitterplatz, an dem Co von 11 Co-Atomen und einem Cu-Atom umgeben ist, einem Gitterplatz, an dem Co von 10 Co-Atomen und zwei Cu-Atomen umgeben ist, einem Gitterplatz, an dem Co von neun Co-Atomen und drei Cu-Atomen umgeben ist, einem Gitterplatz, an dem Co von acht Co-Atomen und vier Cu-Atomen umgeben ist, und einem Gitterplatz, an dem Co von sieben Co-Atomen und fünf Cu-Atomen umgeben ist. Die Intensitätsverhältnisse entsprechen einem Verhältnis der Anzahl der Gitterplätze. Dieses Intensitätsverhältnis muß mit T&sub2; genau korrigiert werden (Spin-Spin-Relaxation). Die T&sub2;-Werte wurden in der Reihenfolge absteigender Frequenzen zu 29 µs, 32 µs, 33 µs, 34 µs, 37 µs und 39 µs erhalten. Die Verhältnisse der Anzahl der Gitterplätze, die aus den obigen Messungen resultieren, sind in den Tabellen 1 bis 4 unten wiedergegeben. Tabelle 1 Beschleunigungsspannung 400 V Tabelle 2 Beschleunigungsspannung 600 V Tabelle 3 Beschleunigungsspannung 1 kV Tabelle 4 Beschleunigungsspannung 1,4 kV
Aus den Tabellen 1 bis 4 geht hervor, daß die Resonanzfrequenzen bei nahezu stets 15 MHz verteilt sind. Die Konzentrationsverteilungen der magnetischen Atome der Mischschichten wurden anhand der resultierenden Verteilungen des internen Magnetfelds gemessen.
In diesem Fall bilden die Konzentrationsverteilung der magnetischen Atome einer jeden Atomschicht der Mischschicht und die Folge des kürzesten Abstands der Atome in der Mischschicht wichtige physikalische Größen für die Definition einer Verteilung des internen Magnetfeldes. Wenn die Konzentration der magnetischen Atome in der i-ten Atomschicht ab der Atomschicht nächst der ferromagnetischen Schicht als Xi bezeichnet wird, ist eine Wahrscheinlichkeit P(Xi) der Anwesenheit von magnetischen Atomen am nächstgelegenen Gitter platz der magnetischen Atome durch die folgende Gleichung (2) gegeben:
P(Xi) = Xi + αi(1 - Xi) ...(2)
In der Mischschicht sind Atome mit unterschiedlichen magnetischen Momenten um das spezifische Atom vorhanden, und der Beitrag des internen Magnetfelds aus diesen magnetischen Momenten wirkt sich aus. In diesem Fall ist ein internes Magnetfeld Hhf durch die folgende Gleichung (3) gegeben:
Hhf = aµself + bΣµn1 ...(3)
In diesem Fall repräsentiert der erste Ausdruck den Beitrag des magnetischen Moments µself des spezifischen Atoms selbst, und der zweite Ausdruck repräsentiert den Beitrag der benachbarten Atome und ist im allgemeinen proportional zur Summe der magnetischen Momente des nächstgelegenen Atomgitterplatzes.
Die Konzentrationsverteilung der magnetischen Atome in der Mischschicht entsprechend der jeweiligen Beschleunigungsspannung wurde mit Hilfe von Gleichung (3) gemessen, wobei die beiden Parameter in Gleichung (2) berücksichtigt wurden. Die Ergebnisse sind in Fig. 13A bis 16B dargestellt. Fig. 13A, 14A, 15A und 16A sind Darstellungen zur Verdeutlichung der Konzentration Xi der magnetischen Atome in jeder Atomschicht und eines Wertes α, und Fig. 13B, 14B, 15B und 16B sind Darstellungen zur Verdeutlichung der Atomanordnungen in jeder Atonschicht. Der Wert α in der Mischschicht jeder Mehrlagenstruktur erfüllt die Bedingung -0,3 ≤ α&sub1; ≤ 0,3. Bei den Mustern b und c entsprechend den Beschleunigungsspannungen 600 eV und 1 keV ist 2(X&sub1;/Xn)/n, d.h. das Verhältnis der Konzentration X&sub1; (%) der magnetischen Atome der Atomschicht nächst der Co-Schicht zu der Konzentration Xn (%) der magnetischen Atome der n-ten Atomschicht nächst der Cu-Schicht, größer als 1,1. Gleichzeitig gilt X&sub1; > 60% oder Xn < 40%. Dies bedeutet, daß der Konzentrationsgradient für jede Atomschicht in der Mischschicht steil ist.
Die magnetoresistiven Effekte entlang der leicht magnetisierbaren Achse der mehrlagigen Muster von dünnen Schichten a bis d mit den Mischschichten, deren Zustände wie oben beschrieben untersucht wurden, sind andererseits in Fig. 17 bis 20 dargestellt.
Aus den Fig. 17 bis 20 geht hervor, daß die magnetoresistiven Verhältnisse (MR-Wert: Δ / ) der Muster a und d, die den Beschleunigungsspannungen von 400 eV und 1,4 keV entsprechen, nur einige Prozent betragen. Dagegen betragen die MR- Werte der Muster b und c, die den Beschleunigungsspannungen 600 eV und 1 keV entsprechen, einige 10 Prozent oder mehr.
Betrachtet man das obige Ergebnis, so ergibt sich eine Korrelation zwischen der Konzentrationsverteilung der magnetischen Atome der Mischschicht und dem MR-Wert. Wenn der Konzentrationsgradient der Mischschicht steil ist, wird offensichtlich ein hoher MR-Wert erhalten.
Diese Korrelation ist nicht vom Atomtyp der nichtmagnetischen Schicht abhängig, sondern kann gleichermaßen für CuAu, Au oder Ag erhalten werden.

(Beispiel 3)

Ein Magnetoresistenzeffektelement entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel wurde unter Verwendung von magnetischen Schichten aus Co und nichtmagnetischen Schichten mit Cu als Matrixmetall und Ni als Zusatz hergestellt.
Eine künstliche dünne Gitterschicht aus Co und Cu1-xNix wurde auf einem Substrat mit einer Ionenstrahl-Sprüheinrichtung aufgebracht. Eine Kammer wurde auf ein Vakuum von 2,66 x 10&supmin;&sup5; Pa (2 x 10&supmin;&sup7; Torr) gebracht, und ein Ar-Gas wurde der Ionenstrahlkanone zugeführt, bis der Teildruck einen Wert von 1,33 × 10&supmin;² Pa (1 × 10&supmin;&sup4; Torr) erreicht hatte. Das Ar-Gas wurde ionisiert und mit einer Beschleunigungsspannung von 700 eV auf Targets gerichtet. Die Targets waren Co- und Cu1-xNix-Targets. Diese Targets wurden nach jeweils einer vorbestimmten Zeit umgedreht, um künstliche dünne Gitterschichten mit Schichten aus Co und Cu1-xNix zu erhalten, deren Dicken unterschiedlich waren. In diesem Fall wurden Cu0,9Ni0,1- und Cu0,7Ni0,3-Schichten verwendet. Das Substrat war ein MgO-Substrat (110), und die Substrattemperatur war Raumtemperatur.
Um die Schichtstruktur zu bezeichnen, wurden die Dicken einer dünnen Co-Schicht und einer Cu1-xNix-Schicht als tCo und tCu definiert, und eine Wiederholungszahl von Paaren, die jeweils aus der Co- und der Cu1-xNix-Schicht bestehen, als n definiert, so daß diese künstliche dünne Gitterschicht als (CotCoCu1-xNixtCu)n bezeichnet wird.
Fig. 21A zeigt das Ergebnis des magnetoresistiven Effekts von Co10Å/Cu0,7Ni0,314Å)&sub1;&sub6;. Als ein Vergleichsbeispiel ist die Kurve des magnetoresistiven Effekts von (Co11Å/Cu11Å)&sub1;&sub6;, das kein Ni enthält, in Fig. 21B wiedergegeben. Die Änderung der Magnetoresistenz Δ von (Co11Å/Cu11Å)&sub1;&sub6; war 7,3 µΩ cm, und die Änderung der Magnetoresistenz Δ von (Co10Å/Cu0,7Ni0,314Å)&sub1;&sub6; war 5,4 µΩ cm, was etwas geringer ist als diejenige für (Co11Å/Cu11Å)&sub1;&sub6;. Das magnetische Sättigungfeld für (Co11Å/Cu11Å)&sub1;&sub6; war 2,75 kOe, und das magnetische Sättigungsfeld für (Co10Å/Cu0,7Ni0,314Å)&sub1;&sub6; wurde zu ungefähr der Hälfte desjenigen für (Co11Å/Cu11Å)&sub1;&sub6; gefunden.
Fig. 22 zeigt eine Zwischenschicht-Interaktion J und eine Änderung der Magnetoresistenz Δ (= [spez. Widerstand im magnetischen Sättigungsfeld] - [spez. Widerstand im Magnetfeld Null]) nach einer Änderung des Ni-Anteil x in (CotCoCu1-xNixtCu)n. In diesem Fall lag die Dicke tCo einer jeden Co-Schicht im Bereich von 10 Å bis 11 Å, und die Dicke tCu der Cu1-xNix-Schicht hatte einen Wert entsprechend einem maximalen magnetoresistiven Verhältnis. Die Änderung der Magnetoresistenz Δ hat einen maximalen Wert entsprechend der magnetischen Zufälligkeit an der Grenzfläche, wenn x gleich 10 atm% ist. Die Änderung der Magnetoresistenz wird geringer, wenn x erhöht wird. Andererseits liegt J nahezu bei Sättigung, wenn x ungefähr 20 atm% beträgt. Der Ni- Anteil wird so gewählt, daß das magnetische Sättigungsfeld geringer wird, ohne das magnetoresistive Verhältnis zu verringern, da das magnetische Sättigungsfeld im allgemeinen proportional zur Größe der Interaktion J ist.
Fig. 23 zeigt die Dicke der nichtmagnetischen Schicht in Abhängigkeit von dem magnetoresistiven Effekt. Eine Auftragung (a) repräsentiert zum Vergleich diese Abhängigkeit in einem künstlichen Co/Cu-Gitter, und die Auftragungen (b) und (c) repräsentieren die Abhängigkeiten im künstlichen Co/CuNi-Gitter. Der erste Spitzenwert hat sich verschoben, und die Schwingungsperiode ist ebenfalls durch den Zusatz von Ni verändert. Damit wird deutlich, daß eine geeignete Dicke der dünnen Schicht für das Erhalten eines magnetoresistiven Effekts durch das Zusatzelement willkürlich verändert werden kann.

(Beispiel 4)

Ein Beispiel 4 entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel wird nachstehend beschrieben.
Eine künstliche dünne Gitterschicht aus Co/Cu1-xNix/Cu/Cu1-xNix wurde mit Hilfe einer Ionenstrahl-Sprüheinrichtung auf ein Substrat aufgebracht. Eine Kammer wurde auf ein Vakuum von 2,66 x 10&supmin;&sup5; Pa (2 × 10&supmin;&sup7; Torr) gebracht, und ein Ar-Gas wurde der Ionenstrahlkanone zugeführt, bis der Teildruck einen Wert von 1,33 × 10&supmin;² Pa (1 x 10&supmin;&sup4; Torr) erreicht hatte. Das Ar-Gas wurde ionisiert und mit einer Beschleunigungsspannung von 700 eV auf Targets gerichtet. Die Targets bestanden aus insgesamt drei Targets, d.h. Co- und Cu-Targets und zwei Cu1-xNix-Targets. Diese Targets wurden nach jeweils einer vorbestimmten Zeit gedreht, um künstliche dünne Gitterschichten mit Mehrlagenstrukturen aus 16 × (Co/Cu1-xNix/Cu/Cu1-xNix) zu erhalten. In diesem Fall wurden Cu0,86Ni0,14- und Cu0,77Ni0,23-Schichten als Cu1-xNix verwendet.
Das Substrat war ein MgO-Substrat (110), und die Substrattemperatur war Raumtemperatur.
Fig. 24 zeigt eine Änderung von Δ bei 77 K, wenn die Dicke einer jeden Co-Schicht zu 10 Å gewählt und die Dicke einer jeden Cu1-xNix-Schicht von 0 auf 6 Å geändert wird, so daß die Gesamtdicke von Co/Cu1-xNix/Cu/Cu1-xNix dem ersten Spitzenwert der anti-ferromagnetischen Kopplung entspricht. Die Dicke von Cu1-xNix ist Null, da die nichtmagnetische Schicht eine einzelne Cu-Schicht ist, und die nichtmagnetische Schicht aus Cu0,86Ni0,145,5Å eine einzelne Cu0,86Ni0,14-Schicht ist. In entsprechender Weise gibt Cu0,77Ni0,236Å an, daß die nichtmagnetische Schicht eine einzelne Cu0,77Ni0,23-Schicht ist.
Wenn eine Legierungsschicht an einer ungefähr 2 Å breiten Grenzfläche in eine CuNi-Legierung mit X = 0,14 oder 0,23 eingebracht wurde, war die Änderung der Magnetoresistenz Δ größer als das (Δ Cu) von Co/Cu. Insbesondere erreichte bei X = 0,14 die Änderung der Magnetoresistenz Δ der CuNi-Legierung das 1,3fache oder mehr des (Δ Cu) von Co/Cu.
Wenn die Dicke der Legierungsschicht 2 Å überschritt, konnte ein großes Δ bei einer niedrigen Ni-Konzentration aufrechterhalten werden. Wenn dagegen die Ni-Konzentration hoch war, wurde die Änderung der Magnetoresistenz Δ nach und nach reduziert.

(Beispiel 5)

Eine künstliche dünne Schicht mit einer Mehrlagenstruktur aus 16 × [Co (10Å) /Cu1-xZx (2Å)/Cu(5Å-7Å)/Cu1-xZx(2Å)] wurde nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 4 hergestellt. Zusätzliche Elemente Z in der nichtmagnetischen Schicht waren Fe, Co, Pt und Pd mit jeweils einem Anteil von 10 atm% bis 20 atm%. Die Änderungen der Magnetoresistenz Δ der jeweiligen dünnen Gitterschichten bezogen auf Co/CuΔ (Δ Cu) sind in Tabelle 5 zusammengestellt. In jedem Fall ist die Änderung Δ der künstlichen dünnen Gitterschicht größer als diejenige von Co/Cu. Es ist daher offensichtlich, daß die Einfügung einer mit Verunreinigungen dotierten nichtmagnetischen Schicht wirkungsvoll ist. Tabelle 5

Claims

1. Magnetoresistenzeffektelement, umfassend mehrere Lagen (5), die mit magnetische Schichten (1), Mischschichten (2) aus einer Mischung aus einem ferromagnetischen Element und einem nicht ferromagnetischen Element, und mindestens eine nichtmagnetische Schicht (3) umfassen, wobei die magnetischen Schichten, die Mischschichten und die nichtmagnetischen Schichten derart aufeinandergestapelt sind, daß ein Magnetoresistenzeffekt entsteht, wobei jede der Mischschichten (2) zwischen einer magnetischen Schicht (1) und der mindestens einen nichtmagnetischen Schicht (3) liegt und 2(X&sub1;/Xn)/n

worin bedeuten:

n die Anzahl von Atomschichten in den Mischschichten (2);

X&sub1; die Atomkonzentration in % des ferromagnetischen Elements (in) der den magnetischen Schichten (1) am nächsten liegenden Atomschicht und

Xn die Atomkonzentration in % des ferromagnetischen Elements in der der mindestens einen nichtmagnetischen Schicht (3) am nächsten liegenden n-ten Atomschicht;

größer ist als 1,1.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Schichten (1) einen Werkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Co, Fe, Ni und deren Legierungen, enthält.

3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine nichtmagnetische Schicht (3) einen Werkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Cu, Cr, Au, Ag, Ru und deren Legierungen, enthält.

4. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Schichten (1) eine Dicke von 0,2 bis 10 nm (2 Å bis 100 Å) aufweisen.

5. Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Schichten (1) eine Dicke von 0,4 bis 8 nm (4 Å bis 80 Å) aufweisen.

6. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine nichtmagnetische Schicht (3) eine Dicke von 0,2 bis 10 nm (2 Å bis 100 Å) aufweist.

7. Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine nichtmagnetische Schicht (3) eine Dicke von 0,9 bis 5 nm (9 Å bis 50 Å) aufweist.

8. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 2(X&sub1;/Xn)/n größer ist als 1,5.

9. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert X&sub1; größer ist als 60%.

10. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert Xn kleiner ist als 40%.

11. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischschichten (2) eine Dicke von 0,12 bis 1 nm (1,2 Å bis 10 Å) aufweisen.

12. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle, daß die Wahrscheinlichkeit P(X&sub1;) von um ein magnetisches Atom in der Mischschicht (2) konzentrierten magnetischen Atomen durch die Gleichung (1)

P(X&sub1;)=X&sub1;+α&sub1;(1-X)

worin bedeuten:

X&sub1; die Konzentration von magnetischen Atomen in der i- ten Schicht der Hischschichten und

α&sub1; ein Ordnungsparameter entsprechend dem Lokalisationsgrad in -1≤a&sub1;≤1 (wobei die Bedingungen α&sub1;=0 eine willkürliche Atomanordnung, a&sub1;< 0 einen Ordnungszustand und α&sub1;> 0 eine Clusterbildung repräsentieren);

wiedergegeben wird, α&sub1; in Gleichung (1) der Bedingung -0,3≤α&sub1;≤0,3 genügt.

13. Magnetoresistenzelement, umfassend mehrere Lagen (14, 25) aus magnetischen Schichten (11, 21) und mindestens einer nichtmagnetischen Schicht (12, 22, 23), wobei die mindestens eine aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff gebildete nichtmagnetische Schicht ein elementares Metall oder eine Legierung desselben in magnetischer Polarisation in der Metallmatrix des nichtferromagnetischen Werkstoffs infolge der Anwesenheit der magnetischen Schichten (11, 21) enthält und die magnetischen und nichtmagnetischen Schichten derart aufeinandergestapelt sind, daß ein Magnetoresistenzeffekt entsteht.

14. Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das elementare Metall oder dessen Legierung in magnetischer Polarisation in der mindestens einen nichtmagnetischen Schicht (12) einen Anteil von 2 Atom-% bis 20 Atom-% bildet.

15. Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Schichten (11) eine Dicke von 0,2 bis 10 nm (2 Å bis 100 Å) aufweisen.

16. Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine nichtmagnetische Schicht (12) eine Dicke von 0,2 bis 10 nm (2 Å bis 100 Å) aufweist.

17. Element nach Anspruch 13, wobei jede der mindestens einen nichtmagnetischen Schicht eine erste nichtmagnetische Schicht (22) und ein Paar zweiter nichtmagnetischer Schichten (23) umfaßt, die zweiten nichtmagnetischen Schichten (23) zwischen die magnetischen Schichten (21) und die erste nichtmagnetische Schicht (22) eingefügt sind und das elementare Metall oder dessen Legierung in magnetischer Polarisation in der Metallmatrix des nichtferromagnetischen Werkstoffs der zweiten nichtmagnetischen Schichten infolge der Anwesenheit der magnetischen Schichten (21) enthalten.

18. Element nach Anspruch 13 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Schichten (21) einen Werkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Co, Fe, Ni und deren Legierungen, enthält.

19. Element nach Anspruch 13 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisch polarisierte elementare Metall einen Werkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Ni, Mn, Pt, Pd, Rh, Co und Fe, enthält.

20. Element nach Anspruch 13 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatrix einen Werkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Cu, Au, Ag, Mo, Nb und Al, enthält.

21. Element nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die erste nichtmagnetische Schicht (22) einen Werkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Cu, Au, Ag, Mo, Nb und Al, enthält.

22. Element nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elementare Metall oder dessen Legierung in magnetischer Polarisation in den zweiten nichtmagnetischen Schichten (23) in einer Menge von nicht mehr als 50 Atom-% enthalten ist.

23. Element nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Schichten (21) eine Dicke von 0,4 bis 10 nm (4 Å bis 100 Å) aufweisen.

24. Element nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die erste nichtmagnetische Schicht (22) eine Dicke von 0,5 bis 8 nm (5 Å bis 80 Å) aufweist.

25. Element nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten nichtmagnetischen Schichten (23) eine Dicke von 0,1 bis 0,5 nm (1 Å bis 5 Å) aufweisen.

26. Element nach Anspruch 1, 13 oder 17, welches zusätzlich eine Vormagnetisierungsschicht (41) zur Vormagnetisierung der mehreren Lagen (25) aufweist.