DE19622040A1

DE19622040A1 - Strong magnetoresistive element and process for its manufacture

Info

Publication number: DE19622040A1
Application number: DE19622040A
Authority: DE
Inventors: Makoto Iijima
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1995-06-01
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1996-12-12
Also published as: GB9611390D0; GB2301710B; GB2301710A; KR970003289A

Abstract

To improve the sensitivity in a weak magnetic field, a giant magnetoresistive element comprises an alternate laminate of magnetic layers (3) and non-magnetic layers (4), the magnetic layers (3) being composed of a granular alloy consisting of fine grains of a magnetic metal and a matrix of a non-magnetic metal, wherein the grains are sufficiently small to form a single magnetic domain and being dispersed in the matrix in a density sufficient to provide an antiferromagnetic coupling between pairs of magnetic layers. The laminae may be 15 to 50Ñ thick. In an embodiment ten alternate layers of a solid solution of Co 66 Ag 34 (3) and Cu (4) are made by sputtering on a glass substrate with an adhesive layer of Ta or Ti, the structure being annealed to give a granular alloy. Other materials for the magnetic and non-magentic layers are specified, as well as the substrate.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein stark magnetoresistives Element (giant magnetoresistive element, GMR) und ein Verfahren zu dessen Herstellung, insbesondere ein stark magnetoresistives Element, das vorteilhaft anwendbar ist für magnetische Sensoren wie einen Lesekopf zum Lesen von auf einer magnetischen Platte mit einer Dichte von mehr als 5 Gbit/in² gespeicherter Information.The present invention relates to a strongly magnetoresistive element (giant magnetoresistive element, GMR) and a method for its production, in particular a strong magnetoresistive element that is advantageously applicable to magnetic Sensors such as a read head for reading on a magnetic disc with a Density of more than 5 Gbit / in² stored information.

Magnetoresistive Köpfe werden kommerziell verwendet zum Lesen von auf einer magnetischen Platte mit hoher Dichte aufgezeichneter Information unter Verwendung des magnetoresistiven Effektes. Magnetoresistive Köpfe bestehen meist aus Permalloy oder einer Ni-Fe-Legierung. Um die mit einer erhöhten Dichte von mehr als 5 Gbit/in² aufgezeichnete Information zu lesen, wurden Leseköpfe untersucht, die den stark magnetoresistiven Effekt (GMR) nutzen.Magnetoresistive heads are used commercially to read on a high density magnetic disc of recorded information using the magnetoresistive effect. Magnetoresistive heads mostly consist of permalloy or a Ni-Fe alloy. To those with an increased density of more than 5 Gbit / in² To read recorded information, read heads were examined that the strong use magnetoresistive effect (GMR).

Der GMR-Effekt wird erhalten durch eine Kombination von magnetischen und nichtmagnetischen Metallen. Es wurden verschiedene GMR-Strukturen einschließlich einer Mehrschichtstruktur bestehend aus einer abwechselnden Schichtstruktur von magnetischen und nichtmagnetischen Metallschichten, eine Spinnventilstruktur (spin valve structure), die eine Differenz der Magnetisierung von zwei magnetischen Schichten nutzt, wobei eine eine feste Magnetisierung und die andere eine nicht feste Magnetisierung aufweist, mit einer dazwischenliegenden nichtmagnetischen Schicht, und eine körnige Struktur bestehend aus in eine Matrix von nichtmagnetischem Metall eingebetteten Magnetmetallkörnern vorgeschlagen.The GMR effect is obtained through a combination of magnetic and non-magnetic metals. Different GMR structures including one Multi-layer structure consisting of an alternating layer structure of magnetic and non-magnetic metal layers, a spin valve structure, the uses a difference in magnetization of two magnetic layers, one being a fixed magnetization and the other has a non-fixed magnetization, with one intermediate non-magnetic layer, and a granular structure consisting of magnetic metal grains embedded in a matrix of non-magnetic metal suggested.

Die körnige Struktur ist vorteilhafter als die anderen beiden Strukturen, da sie einfacher herzustellen ist und eine höhere thermische Stabilität aufweist, was für das Herstellungsverfahren von magnetischen Köpfen, das Heizschritte umfaßt, vorteilhaft ist.The granular structure is more advantageous than the other two structures because it is simpler is to produce and has a higher thermal stability, which for Manufacturing method of magnetic heads, which comprises heating steps, is advantageous.

Das US-Patent 5,366,815 beschreibt ein magnetoresisitves Element mit einer magnetischen Mehrschichtstruktur bestehend aus einer abwechselnden Schichtstruktur von einer oder mehreren magnetischen Schichten bestehend aus wenigstens einem Element ausgewählt aus Fe, Co und Ni und einer oder mehreren Ag-Schichten, in dem die magnetischen und Ag-Schichten bis zu einer Dicke von 2 Å bis 60 Å mittels Molekularstrahlepitaxie unter solchen Bedingungen abgeschieden werden, daß die abgeschiedenen Partikel eine kinetische Energie von 0,01 bis 5 eV und eine mittlere Energie von 0,05 bis 0,5 eV während der Abscheidung aufweisen. Die magnetische Mehrschichtstruktur hat eine Achse leichter Magnetisierbarkeit in einer Ebene parallel zu ihrer Oberfläche und ein ebenes Flächenverhältnis von 0,5 oder weniger und zeigt Ferromagnetismus und einen stark magnetoresistiven Effekt bei niedrigen Magnetfeldern sowie eine Magnetowiderstandsänderung von 1% bis 40% in einem Magnetfeld von 0,01 bis 20 kOe.U.S. Patent 5,366,815 describes a magnetoresistive element with a magnetic Multi-layer structure consisting of an alternating layer structure of one or a plurality of magnetic layers selected from at least one element of Fe, Co and Ni and one or more Ag layers in which the magnetic and Ag layers to a thickness of 2 Å to 60 Å using molecular beam epitaxy are deposited in such a condition that the separated particles form a kinetic energy from 0.01 to 5 eV and an average energy from 0.05 to 0.5 eV exhibit during the deposition. The magnetic multilayer structure has one axis easier magnetizability in a plane parallel to its surface and a flat one Area ratio of 0.5 or less and shows ferromagnetism and a strong magnetoresistive effect with low magnetic fields as well as a Magnetic resistance change from 1% to 40% in a magnetic field from 0.01 to 20 kOe.

Die US-Patentschrift 5,341,118 beschreibt eine magnetische Mehrschichtstruktur mit Ausmaßen, die eine Funktion der nichtmagnetischen Schichtdicke ist, in der die nichtmagnetischen Schichten aus Cu oder Ru und die magnetischen Schichten aus Co oder Ni bestehen.US Pat. No. 5,341,118 describes a magnetic multilayer structure Dimensions, which is a function of the non-magnetic layer thickness, in which the non-magnetic layers of Cu or Ru and the magnetic layers of Co or Ni exist.

Die US-Patentschrift 5,341,261 beschreibt einen magnetoresistiven Sensor mit einer Laminatstruktur bestehend aus wenigstens zwei Schichten, die jeweils aus einer ersten Lage eines ferromagnetischen Materiales und einer benachbarten zweiten Lage eines nichtmagnetischen Materiales, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Stromflusses durch den Sensor, und einer Einrichtung zur Erfassung einer Spannungsänderung über den Sensor aufgrund einer Widerstandsänderung des Sensors aufgrund der Rotation der Magnetisierungsrichtung in der ersten Lage als Funktion eines zu erfassenden externen magnetischen Feldes bestehen. Die erste Lage des ferromagnetischen Materiales besteht jeweils aus wenigstens einer Materialschicht mit einer Dicke von einer oder mehreren Monolagen, welche mit einer Entfernung X von der benachbarten Schnittstelle angeordnet sind. Die Schichtstruktur ist ausgedrückt durch [F/NM]_n, wobei F eine Lage eines ferromagnetischen Materiales wie Fe oder Co und NM eine Zwischenschicht eines nichtmagnetischen Materiales wie Cr oder Cu ist.US Pat. No. 5,341,261 describes a magnetoresistive sensor with a laminate structure consisting of at least two layers, each consisting of a first layer of a ferromagnetic material and an adjacent second layer of a non-magnetic material, a device for generating a current flow through the sensor, and a device for Detection of a voltage change via the sensor due to a change in resistance of the sensor due to the rotation of the magnetization direction in the first position as a function of an external magnetic field to be detected. The first layer of the ferromagnetic material in each case consists of at least one material layer with a thickness of one or more monolayers, which are arranged at a distance X from the adjacent interface. The layer structure is expressed by [F / NM] _n , where F is a layer of a ferromagnetic material such as Fe or Co and NM is an intermediate layer of a non-magnetic material such as Cr or Cu.

Die nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 6-326377 beschreibt ein körniges Mehrlagen-MR-Element mit einem magnetoresistiven Erfassungselement aufweisend eine oder mehrere diskontinuierliche Schichten oder quasikreisförmige Körner eines in einem nichtmagnetischen elektrisch leitenden Material eingebetteten ferromagnetischen Materials. Das körnige Mehrschicht-MR-Element wird durch ein Verfahren aufweisend einen Schritt der Abscheidung mehrerer Doppellagenstrukturen einschließlich einer ersten Schicht eines nichtmagnetischen elektrisch leitfähigen Materiales und einer zweiten Schicht eines ferromagnetischen Materiales auf ein Substrat und einen Schritt des Ausheilens der so abgeschiedenen Mehrschichtstruktur mit einer gewählten Temperatur hergestellt, so daß die zweite Schicht des ferromagnetischen Materiales sich zersetzt, um mehrere ferromagnetische Körner zu bilden und daß das nichtmagnetische Material der ersten Lage dazwischenfließt und diffundiert und die ferromagnetischen Körner umgibt. Die ferromagnetischen Körner bestehen aus einem ferromagnetischen Material ausgewählt aus Fe, Co, Ni, NiFe und einer ferromagnetischen Legierung basierend auf Fe, Co, Ni und NiFe. Das nichtmagnetische Material besteht aus Ag, Au, Cu oder Ru. Die ferromagnetischen Körner haben eine Dicke von ungefähr 10 Å bis ungefähr 30 Å. Die nichtmagnetische elektrisch leitfähige Schicht hat eine Dicke von ungefähr 10 Å bis ungefahr 50 Å.Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 6-326377 describes one granular multi-layer MR element with a magnetoresistive detection element comprising one or more discontinuous layers or quasi-circular grains one embedded in a non-magnetic electrically conductive material ferromagnetic material. The granular multilayer MR element is made by a A method comprising a step of depositing several double-layer structures including a first layer of a non-magnetic, electrically conductive material and a second layer of ferromagnetic material on a substrate and one Step of annealing the thus deposited multilayer structure with a selected one Temperature established so that the second layer of ferromagnetic material itself decomposed to form multiple ferromagnetic grains and that the non-magnetic Material of the first layer flows in between and diffuses and the ferromagnetic Surrounding grains. The ferromagnetic grains consist of a ferromagnetic Material selected from Fe, Co, Ni, NiFe and a ferromagnetic alloy based on Fe, Co, Ni and NiFe. The non-magnetic material consists of Ag, Au, Cu or Ru. The ferromagnetic grains have a thickness of about 10 Å to about 30 Å. The non-magnetic electrically conductive layer has a thickness of approximately 10 Å up to about 50 Å.

In der japanischen Veröffentlichung bilden die ferromagnetischen Körner und das umgebende nichtmagnetische Material kollektiv eine diskontinuierliche magnetische Schicht der mit einer nichtmagnetischen Schicht des nichtmagnetischen Materiales aufeinander geschichteten Körner, wie am besten aus Fig. 2 der Veröffentlichung ersichtlich ist. Die ferromagnetischen Körner haben die Form eines quasi kreisförmigen Plättchens mit einer Dicke, die die Dicke der magnetischen Schicht bestimmt und daher gleich groß wie diese ist, die die diskontinuierliche magnetische Schicht mit dieser Dicke bildet. Diese Form der magnetischen Schicht unterscheidet sich von derjenigen der vorliegenden erfinderischen magnetischen Schicht in der Form einer kontinuierlichen Schicht bestehend aus einer körnigen Legierung bestehend aus zahlreichen feinen, in einer Matrix eines nichtmagnetischen Metalles verteilten magnetischen Metallkörnern. Bei der vorliegenden Erfindung liegt das magnetische Metall in der Form von feinen Körnern vor, die klein genug sind, um eine einzige magnetische Domäne zu bilden, die durch das quasi kreisförmige Plättchen gemäß der japanischen Veröffentlichung nicht erzielt wird.In the Japanese publication, the ferromagnetic grains and the surrounding non-magnetic material collectively form a discontinuous magnetic layer of the grains stacked with a non-magnetic layer of the non-magnetic material, as best seen in Fig. 2 of the publication. The ferromagnetic grains are in the form of a quasi-circular plate with a thickness which determines the thickness of the magnetic layer and is therefore the same size as that which forms the discontinuous magnetic layer with this thickness. This form of the magnetic layer differs from that of the present inventive magnetic layer in the form of a continuous layer consisting of a granular alloy consisting of numerous fine magnetic metal grains distributed in a matrix of a non-magnetic metal. In the present invention, the magnetic metal is in the form of fine grains small enough to form a single magnetic domain which is not achieved by the quasi-circular plate according to the Japanese publication.

Das "Journal of Magnetism and Magnetic Materials" 114, 1992, L230-L234 beschreibt eine nicht geschichtete Struktur eines Co_x-Ag_1-x-Legierungsfilmes (x = 0,25 - 0,56) mit einer Dicke von 70 bis 100 nm, die durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern mit einem zusammengesetzten Target bei Raumtemperatur gebildet wurde und ein maximales Magnetowiderstandsverhältnis von größer als 17% bei Raumtemperatur zeigt.The "Journal of Magnetism and Magnetic Materials" 114, 1992, L230-L234 describes a non-layered structure of a Co _x -Ag _1-x alloy film (x = 0.25-0.56) with a thickness of 70 to 100 nm , which was formed by direct current magnetron sputtering with a composite target at room temperature and shows a maximum magnetoresistance ratio of greater than 17% at room temperature.

In "Journal of Applied Physics" 70, 1991, 5882-5884 ist ein Nanostruktur-Co/Ag- Mischfilm einer Co₅₀Ag₅₀-Legierung (39 Vol.-% Co) mit 30 Å auf 297 Å Co-Kristallen und 39 Å auf 423 Å Ag-Kristallen beschrieben, die durch Magnetron-Sputtern mittels eines gesinterten Co/Ag-Mischtargets bei einer Substrattemperatur von 100 bis 600°C gebildet wurde und eine maximale Koerzitivkraft von 565 Oe bei 6 K zeigt."Journal of Applied Physics" 70, 1991, 5882-5884 describes a nanostructure Co / Ag Mixed film of a Co₅₀Ag₅₀ alloy (39 vol.% Co) with 30 Å on 297 Å Co crystals and 39 Å on 423 Å Ag crystals described by magnetron sputtering using a sintered Co / Ag mixed targets at a substrate temperature of 100 to 600 ° C. and shows a maximum coercive force of 565 Oe at 6 K.

In "Physical Review Letters", Vol. 166, 1991, 3060-3063 ist ein senkrechter GMR beschrieben, den eine Ag/Co-Mehrfachschichtstruktur bei 4,2 K zeigt. Die Ag-Schicht hat eine Dicke von 2 bis 60 nm und die Co-Schicht hat eine Dicke von 6 bis 15 nm. In "Physical Review Letters", Vol. 166, 1991, 3060-3063 is a vertical GMR which is shown by an Ag / Co multilayer structure at 4.2 K. The Ag layer has a thickness of 2 to 60 nm and the Co layer has a thickness of 6 to 15 nm.

Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 6-318749 beschreibt ein magnetoresistives Element mit einer magnetischen Schicht bestehend aus feinen Körnern eines amorphen magnetischen Metalles aufweisend wenigstens eines der Elemente Fe, Co und Ni verteilt in einer Edelmetallmatrix von Cu, Ag oder Au. Ein magnetoresistives Element mit einer Schichtstruktur aufweisend eine magnetische Schicht bestehend aus feinen Körnern eines kristallinen oder amorphen magnetischen Metalles enthaltend wenigstens eines der Elemente Fe, Co und Ni und eine nichtmagnetische Schicht aus einem Edelmetall ist ebenfalls beschrieben. Um die Schichtstruktur zu bilden, wird eine magnetische Schicht bestehend aus wenigstens einem der Elemente Fe, Co oder Ni und eine nichtmagnetische Schicht abwechselnd abgeschieden und die so abgeschiedene Schichtstruktur wird dann hitzebehandelt, so daß das Edelmetall in die magnetische Schicht fließt oder diffundiert. Die magnetische Schicht hat eine Dicke von 5 bis 200 Å und die nichtmagnetische Schicht hat eine Dicke von 10 bis 100 Å. Die Anzahl der Schichten beträgt ungefahr 5 bis 50.Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 6-318749 describes one magnetoresistive element with a magnetic layer consisting of fine grains an amorphous magnetic metal comprising at least one of the elements Fe, Co and Ni distributed in a noble metal matrix of Cu, Ag or Au. A magnetoresistive Element with a layer structure comprising a magnetic layer consisting of containing fine grains of a crystalline or amorphous magnetic metal at least one of the elements Fe, Co and Ni and a non-magnetic layer of one Precious metal is also described. To form the layer structure, a magnetic layer consisting of at least one of the elements Fe, Co or Ni and a non-magnetic layer is alternately deposited and the deposited one Layer structure is then heat treated so that the precious metal is in the magnetic Layer flows or diffuses. The magnetic layer has a thickness of 5 to 200 Å and the non-magnetic layer has a thickness of 10 to 100 Å. The number of layers is about 5 to 50.

Diese japanische Veröffentlichung beschreibt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine 100 Å dicke magnetische Schicht einer körnigen Ag₇₅Co₂₅-Legierung, die mit einer 50 Å dicken nichtmagnetischen Ag-Schicht geschichtet ist. Der geringe Co-Gehalt von 25 At.-% wird als ausgewählter Optimalwert angesehen, um die magnetische Wechselwirkung zwischen den magnetischen Co-Körnern in der körnigen Ag-Co-Legierungsmagnetschicht basierend auf dem bekannten Konzept zur Optimierung der chemischen Zusammensetzung der nicht geschichteten GMR-Elemente, die nur aus einer körnigen Ag-Co-Legierung bestehen, zu maximieren. Dieses Konzept führt nicht zu dem hohen Co-Gehalt von 55 At.-% bis 80 At.-% der vorliegenden Erfindung, die notwendig ist, um eine antiferromagnetische Kopplung zwischen Magnetschichten, nicht zwischen magnetischen Körnern in einer magnetischen Schicht zu erzeugen, um eine verbesserte Empfindlichkeit eines GMR-Elementes zu erhalten.This Japanese publication describes a 100 as a preferred exemplary embodiment Å thick magnetic layer of a granular Ag₇₅Co₂₅ alloy with a 50 Å thick non-magnetic Ag layer is layered. The low Co content of 25 at% viewed as the selected optimum value to determine the magnetic interaction between based on the magnetic Co grains in the granular Ag-Co alloy magnetic layer on the known concept to optimize the chemical composition of the not layered GMR elements, which consist only of a granular Ag-Co alloy maximize. This concept does not lead to the high Co content of 55 at.% To 80 at.% of the present invention, which is necessary for an antiferromagnetic coupling between magnetic layers, not between magnetic grains in a magnetic Generate layer to improve sensitivity of a GMR element receive.

Die Größe des GMR-Effektes, insbesondere in GMR-Elementen, die eine körnige Legierung verwenden, hängt von der Größe und Form der magnetischen Metallkörner und der Betriebstemperatur ab. Die magnetischen Metallkörner bilden jeweils eine einzige magnetische Domäne und die Magnetisierungsrichtung des Kornes variiert mit der Temperatur. Daher erfordert die körnige Legierung eines hohes äußeres Magnetfeld von einigen bis einigen zehn kOe zur Ausrichtung der Magnetrichtungen der magnetischen Körner. Dies ist ein wesentlicher Nachteil eines GMR-Elementes, das eine körnige Legierung verwendet, wenn diese für einen Lesekopf für magnetische Platten verwendet wird, die eine gute Empfindlichkeit bei geringen Magnetfeldern von einigen zehn Oe haben muß.The size of the GMR effect, especially in GMR elements, which is a grainy Use of alloy depends on the size and shape of the magnetic metal grains and the operating temperature. The magnetic metal grains each form a single one magnetic domain and the direction of magnetization of the grain varies with that Temperature. Therefore, the granular alloy requires a high external magnetic field from a few to a few ten kOe to align the magnetic directions of the magnetic Grains. This is a major disadvantage of a GMR element that is grainy Alloy used when used for a magnetic disk read head which have good sensitivity to low magnetic fields of a few tens of Oe got to.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein stark magnetoresitives Element mit einer erhöhten Empfindlichkeit bei geringen Magnetfeldern vorzuschlagen, wobei eine magnetische/nichtmagnetische Schichtstruktur einschließlich magnetischer Schichten bestehend aus einer körnigen Struktur oder einer körnigen Legierung gebildet wird, in der eine antiferromagnetische Kopplung zwischen benachbarten magnetischen Schichten auftritt, während die Wechselwirkung zwischen feinen Kornern in der magnetischen Schicht kontrolliert ist. Der hier verwendete Begriff "Empfindlichkeit" bedeutet, wenn er nicht anders spezifiziert ist, die Magnetfeldempfindlichkeit, die definiert ist als Änderung des Magnetowiderstandes pro Einheitsmagnetfeld, die ausgedrückt werden kann in "%/Oe".The object of the present invention is a strong magnetoresistive element with a propose increased sensitivity to low magnetic fields, one magnetic / non-magnetic layer structure including magnetic layers consisting of a granular structure or a granular alloy in which an antiferromagnetic coupling between adjacent magnetic layers occurs during the interaction between fine grains in the magnetic Layer is controlled. The term "sensitivity" as used herein means when is not specified otherwise, the magnetic field sensitivity, which is defined as change the magnetoresistance per unit magnetic field, which can be expressed in "% / Oe".

Um die Aufgabe zu lösen wird erfindungsgemäß ein stark magnetoresistives Element vorgeschlagen aufweisend:
eine abwechselnde Schichtstruktur magnetischer und nichtmagnetischer Schichten, wobei die abwechselnde Schichtstruktur aus mehreren magnetischen/nichtmagnetischen Schichtstruktureinheiten besteht, die jeweils aus einer magnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen Schicht bestehen;
wobei die magnetischen Schichten aus einer körnigen Legierung bestehend aus vielen feinen Körnern eines magnetischen Metalles und einer Matrix eines ersten nichtmagnetischen Metalles gebildet ist, und wobei die feinen Körner genügend klein sind, um eine einzige magnetische Domäne zu bilden und in der Matrix in einer genügenden Dichte verteilt sind, um eine antiferromagnetische Kopplung zwischen jedem benachbarten Paar von magnetischen Schichten zu liefern; und
wobei die nichtmagnetischen Schichten aus einem zweiten nichtmagnetischen Metall bestehen.In order to achieve the object, a strongly magnetoresistive element is proposed according to the invention, comprising:
an alternating layer structure of magnetic and non-magnetic layers, the alternating layer structure consisting of a plurality of magnetic / non-magnetic layer structure units, each consisting of a magnetic layer and a non-magnetic layer;
the magnetic layers being formed from a granular alloy consisting of many fine grains of a magnetic metal and a matrix of a first non-magnetic metal, and the fine grains being sufficiently small to form a single magnetic domain and in the matrix in a sufficient density distributed to provide antiferromagnetic coupling between each adjacent pair of magnetic layers; and
wherein the non-magnetic layers consist of a second non-magnetic metal.

Die vorliegende Erfindung liefert auch einen magnetischen Sensor, der das oben beschriebene stark magnetoresistive Element aufweist. The present invention also provides a magnetic sensor that does the above described strong magnetoresistive element.

Die vorliegende Erfindung schlägt auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen stark magnetoresistiven Elementes vor, welches die Verfahrensschritte aufweist:
abwechselnde Abscheidung einer ersten Schicht einer festen Lösung eines magnetischen Metalles und eines ersten nichtmagnetischen Metalles und einer zweiten Schicht eines zweiten nichtmagnetischen Metalles auf einem Substrat, um eine so abgeschiedene Schichtstruktur zu bilden, wobei das magnetische Metall in der festen Lösung in einer Menge entsprechend der folgenden Dichte der vielen feinen Körner des magnetischen Metalles vorhanden ist; und
Wärmebehandlung der so abgeschiedenen Schichtstruktur derart, daß in der ersten Schicht das magnetische Metall sich aus der festen Lösung ablagert, um viele feine Körner des magnetischen Metalles zu bilden, welche Körner genügend klein sind, um jeweils eine einzige magnetische Domäne zu bilden und in einer Matrix des ersten nichtmagnetischen Metalles verteilt sind, wobei die vielen feinen Körner und die Matrix eine körnige Legierung bilden und somit eine abwechselnde Schichtstruktur einer magnetischen Schicht der körnigen Legierung und einer nichtmagnetischen Schicht des zweiten nichtmagnetischen Metalles bilden.The present invention also proposes a method for producing the strongly magnetoresistive element according to the invention, which has the method steps:
alternately depositing a first layer of a solid solution of a magnetic metal and a first non-magnetic metal and a second layer of a second non-magnetic metal on a substrate to form a layer structure thus deposited, the magnetic metal in the solid solution in an amount corresponding to the following Density of the many fine grains of magnetic metal is present; and
Heat treating the layer structure thus deposited so that in the first layer the magnetic metal deposits from the solid solution to form many fine grains of the magnetic metal, which grains are sufficiently small to form a single magnetic domain and in a matrix of the first non-magnetic metal are distributed, the many fine grains and the matrix forming a granular alloy and thus forming an alternating layer structure of a magnetic layer of the granular alloy and a non-magnetic layer of the second non-magnetic metal.

In den Zeichnungen ist:In the drawings:

Fig. 1 eine schematische Illustration eines erfindungsgemäßen stark magnetoresistiven (GMR) Elementes in Querschnittsdarstellung; Fig. 1 is a schematic illustration of an inventive strong magnetoresistive (GMR) element in cross-sectional representation;

Fig. 2 eine Graphik, die eine Magnetowiderstandskurve für das GMR-Element aus Fig. 1 zeigt; FIG. 2 is a graph showing a magnetoresistance curve for the GMR element of FIG. 1;

Fig. 3 eine Graphik, die das MR-Verhältnis und die Sättigungsmagnetisierung Hs eines GMR-Elementes als Funktion des Co-Gehaltes der die magnetische Schicht bildenden körnigen Legierung zeigt; Fig. 3 is a graph illustrating the MR ratio and the saturation magnetization Hs of a GMR element as a function of the Co-content of the magnetic layer-forming particulate alloy;

Fig. 4 eine Graphik, die eine MR-Kurve eines GMR-Elementes zeigt, die eine erfindungsgemäße abwechselnde Schichtstruktur aufweist, im Vergleich mit derjenigen eines nicht geschichteten Einschicht-GMR-Elementes vor und nach einer Ausheilungsbehandlung; Figure 4 is a graph showing an MR curve of a GMR element is having an alternating layer structure of the invention, in comparison with that of a non-layered single-GMR element before and after an annealing treatment.

Fig. 5 eine Graphik, die eine MR-Kurve eines erfindungsgemäßen GMR-Elementes im Vergleich mit derjenigen eines herkömmlichen GMR-Elementes zeigt; Figure 5 is a graph showing an MR curve shows a GMR element of the invention in comparison with that of a conventional GMR element.

Fig. 6 eine Graphik, die das MR-Verhältnis eines erfindungsgemäßen GMR-Elementes als Funktion der Dicke der nichtmagnetischen Cu-Schicht zeigt; Fig. 6 is a graph showing the MR-ratio of a GMR element according to the invention as a function of the thickness of the nonmagnetic Cu layer;

Fig. 7 eine Schemadarstellung, die einen erfindungsgemäßen magnetischen Sensor in Querschnittsdarstellung zeigt; und Fig. 7 is a schematic view showing a magnetic sensor according to the invention in cross-sectional representation; and

Fig. 8 eine schematische Perspektivansicht des in Fig. 7 gezeigten magnetischen Sensors. FIG. 8 is a schematic perspective view of the magnetic sensor shown in FIG. 7.

Bei dem erfindungsgemäßen stark magnetoresistiven Element enthält die körnige Legierung bevorzugt die feinen Körner des magnetischen Metalles in einer Dichte oder Konzentration von 55 bis 80 At.-% bezogen auf die Konzentration des magnetischen Metalles in der körnigen Legierung. Die Erfinder haben herausgefunden, daß dieser Bereich der Dichte der feinen Körner in vorteilhafter Weise die antiferromagnetische Kopplung zwischen den benachbarten magnetischen Schichten erleichtert oder bildet, während die Wechselwirkung zwischen den magnetischen Körnern in den magnetischen Schichten kontrolliert ist, wobei ein verbesserter stark magnetoresistiver Effekt hervorgerufen wird.In the strongly magnetoresistive element according to the invention, it contains the granular one Alloy prefers the fine grains of magnetic metal in a density or Concentration of 55 to 80 at .-% based on the concentration of the magnetic Metal in the granular alloy. The inventors have found that this Range of density of fine grains advantageously the antiferromagnetic Facilitates or forms coupling between the adjacent magnetic layers, while the interaction between the magnetic grains in the magnetic Layers is controlled, with an improved strong magnetoresistive effect is caused.

Wenn die Körnerdichte kleiner als 55 At.-% ist, ist die antiferromagnetische Kopplung zu schwach, um einen erfindungsgemäßen verbesserten stark magnetoresistiven Effekt zu liefern. Kleinere Körnerdichten sind auch deshalb nachteilig, da die Körnergröße so gering ist, so daß Superparamagnetismus bedeutsam wird, der es für die feinen magnetischen Körner schwierig macht, die Magnetisierungsrichtung infolge einer Änderung des äußeren magnetischen Feldes zu ändern.If the grain density is less than 55 at%, the antiferromagnetic coupling is closed weak to an improved strong magnetoresistive effect according to the invention deliver. Smaller grain densities are also disadvantageous because the grain size is so small is so that superparamagnetism becomes meaningful for fine magnetic Grains makes it difficult to change the direction of magnetization due to a change in the exterior magnetic field to change.

Wenn die Körnerdichte größer als 80 At.-% ist, kommen die feinen Körner in Kontakt miteinander, um große Körner mit unregelmäßigen Formen zu bilden, in denen mehrere magnetische Domänen ausgebildet werden, so daß die Empfindlichkeit abnimmt und das Auftreten von Barkhausen-Rauschen induziert wird.If the grain density is more than 80 at%, the fine grains come into contact with each other to form large grains with irregular shapes in which several magnetic domains are formed so that the sensitivity decreases and that Occurrence of Barkhausen noise is induced.

Die abwechselnde Schichtstruktur besteht vorteilhaft aus 5 bis 7 magnetischen/nichtmagnetischen Struktureinheiten. Um eine antiferromagnetische Kopplung zwischen benachbarten magnetischen Schichten der körnigen Legierung auszubilden, muß die abwechselnde Schichtstruktur aus zwei oder mehreren magnetischen/nichtmagnetischen Schichtstruktureinheiten bestehen. Die Anzahl der magnetischen/nichtmagnetischen Schichtstruktureinheiten sollte nicht auf zehn oder mehr erhöht werden, da der entsprechende Anstieg des MR-Verhältnisses und der Empfindlichkeit klein wird, während die Größe der abwechselnden Schichtstruktur und die entsprechende Größe des magnetischen Kopfes unerwünscht zunimmt.The alternating layer structure advantageously consists of 5 to 7 magnetic / non-magnetic structural units. To be an antiferromagnetic Coupling between adjacent magnetic layers of the granular alloy form, the alternating layer structure must consist of two or more magnetic / non-magnetic layer structure units exist. The number of Magnetic / non-magnetic layer structure units should not be ten or more be increased since the corresponding increase in the MR ratio and the Sensitivity becomes small while the size of the alternating layer structure and the corresponding size of the magnetic head undesirably increases.

Die aus einer körnigen Legierung bestehende magnetische Schicht hat vorteilhaft eine Dicke von 15 Å bis 50 Å und insbesondere von 15 Å bis 30 Å. Der Bereich der magnetischen Schichtdicke beschränkt vorteilhaft die Größe der feinen magnetischen Körner auf 50 Å oder weniger und stellt sicher, daß jedes der feinen magnetischen Körner eine einzige magnetische Domäne bildet. Wenn die magnetische Schichtdicke zu dick ist, werden die feinen magnetischen Körner zu groß und mehrere magnetische Domänen werden in den Körnern ausgebildet, so daß Barkhausen-Rauschen auftritt oder die Empfindlichkeit abnimmt.The magnetic layer consisting of a granular alloy advantageously has one Thickness from 15 Å to 50 Å and especially from 15 Å to 30 Å. The area of magnetic layer thickness advantageously limits the size of the fine magnetic Grains to 50 Å or less and ensures that each of the fine magnetic grains forms a single magnetic domain. If the magnetic layer thickness is too thick, the fine magnetic grains become too large and multiple magnetic domains are formed in the grains so that Barkhausen noise occurs or the Sensitivity decreases.

Vorteilhaft hat die abwechselnde Schichtstruktur eine Dicke von 400 Å oder weniger, insbesondere wenn das GMR-Element oder der magnetische Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird zur Herstellung eines Lesekopfes für eine fortschrittliche hochdichten Autzeichnung von 5 Gbit/in² oder mehr.The alternating layer structure advantageously has a thickness of 400 Å or less, especially if the GMR element or the magnetic sensor according to the The present invention is used to manufacture a read head for a advanced high density recording of 5 Gbit / in² or more.

Die nichtmagnetische Schicht hat vorteilhaft eine Dicke von 10 Å bis 50 Å, um in vorteilhafter Weise die antiferromagnetische Kopplung zwischen jedem Paar der magnetischen Schichten auszubilden, zwischen denen die nichtmagnetische Schicht ausgebildet ist.The non-magnetic layer advantageously has a thickness of 10 Å to 50 Å in advantageously the antiferromagnetic coupling between each pair of form magnetic layers between which the non-magnetic layer is trained.

Vorteilhaft ist das magnetische Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ni, Co, Fe und deren Legierungen und das erste nichtmagnetische Metall, das die Matrix bildet und das zweite nichtmagnetische Metall, das die nichtmagnetische Schicht bildet, sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag, Au, Pt und Legierungen von diesen.The magnetic material is advantageously selected from the group consisting of Ni, Co, Fe and its alloys and the first non-magnetic metal that forms the matrix and the second non-magnetic metal that forms the non-magnetic layer selected from the group consisting of Cu, Ag, Au, Pt and alloys thereof.

Die magnetische Schicht der erfindungsgemäßen körnigen Legierung hat keine magnetische Anisotropie bzgl. eines äußeren Magnetfeldes und liefert einen hohen Grad an Freiheit bei der Konstruktion von Bauelementen, die das erfindungsgemäße GMR-Element verwenden.The magnetic layer of the granular alloy according to the invention has none magnetic anisotropy with respect to an external magnetic field and delivers a high degree Freedom in the construction of components that the GMR element according to the invention use.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Schritt der abwechselnden Abscheidung vorteilhaft durch ein Verfahren aus Sputtern, Ionenstrahlsputtern, Molekularstrahlepitaxie oder Kombinationen dieser Verfahren ausgeführt. Das Substrat, auf das die magnetischen und nichtmagnetischen Schichten abgeschieden werden, kann aus Glas, Silikatglas, Silizium oder Keramik bestehen. Der Schritt der Wärmebehandlung der so abgeschiedenen Schichtstruktur ruft eine Phasentrennung in der abgeschiedenen festen Lösung des magnetischen Metalles und des ersten nichtmagnetischen Metalles hervor, bei der eine homogene feste Lösung, die eine einzige Phase bildet, getrennt wird in zwei unterschiedliche Phasen, von denen eine aus vielen feinen magnetischen Metallkörnern des magnetischen Metalles besteht und die andere eine nichtmagnetische Metallmatrix des ersten nichtmagnetischen Metalles ist.In the method according to the invention, the step of alternating deposition advantageous by a method of sputtering, ion beam sputtering, molecular beam epitaxy or combinations of these methods. The substrate on which the magnetic and non-magnetic layers can be made of glass, silicate glass, Silicon or ceramic exist. The step of heat treatment of the so deposited Layer structure calls for phase separation in the deposited solid solution of the magnetic metal and the first non-magnetic metal, in which one homogeneous solid solution that forms a single phase is separated into two different phases, one of which consists of many fine magnetic metal grains of the magnetic metal and the other is a non-magnetic metal matrix of the first non-magnetic metal.

Um die erste Schicht abzuscheiden, die die magnetische Schicht der körnigen Legierung der alternierenden Schichtstruktur bildet, kann ein Sputtertarget oder eine Molekularstrahlquelle aus einer Legierung bestehend aus einem der nichtmagnetischen Metalle Cu, Ag, Au, Pt und Legierungen davon und aus einem der magnetischen Metalle Ni, Co, Fe und Legierungen davon bestehen. Das Sputtertarget kann auch in einer zusammengesetzten Form bestehend aus kleinen Chips, Streifen, Plättchen oder Folien des auf einer Basis des nichtmagnetischen Metalles angeordneten magnetischen Metalles bestehen.To deposit the first layer, which is the magnetic layer of the granular alloy of the alternating layer structure, a sputtering target or Molecular beam source made of an alloy consisting of one of the non-magnetic Metals Cu, Ag, Au, Pt and alloys thereof and from one of the magnetic metals Ni, Co, Fe and alloys thereof exist. The sputtering target can also be in a composite form consisting of small chips, strips, plates or foils of the magnetic metal arranged on a base of the non-magnetic metal consist.

Um die zweite Schicht des zweiten nichtmagnetischen Metalles abzuscheiden, die die nichtmagnetische Schicht der abwechselnden Schichtstruktur bildet, besteht ein anderes Sputtertarget oder eine andere Molekularstrahlquelle aus einem der oben genannten nichtmagnetischen Metalle.To deposit the second layer of the second non-magnetic metal that the forms non-magnetic layer of the alternating layer structure, there is another Sputtering target or another molecular beam source from one of the above non-magnetic metals.

Die Sputtertargets oder Molekularstrahlquellen für die erste und zweite Schicht werden abwechselnd verwendet, um die abwechselnde Schichtstruktur der ersten und zweiten Schichten zu bilden.The sputtering targets or molecular beam sources for the first and second layers are used alternately to the alternate layer structure of the first and second To form layers.

Vorzugsweise werden die ersten und zweiten Schichten in ein und derselben Vakuumkammer abgeschieden, um eine gute Verbindung zwischen diesen Schichten in dem so abgeschiedenen Zustand zu ermöglichen und auch zwischen der körnigen Magnetlegierungsschicht und der nichtmagnetischen Metallschicht nach der Wärmebehandlung.Preferably the first and second layers are in one and the same Vacuum chamber deposited to ensure a good connection between these layers to allow the so separated state and also between the granular Magnetic alloy layer and the non-magnetic metal layer after the Heat treatment.

Das magnetische Metall liegt in der festen Lösung in atomarer Form in dem abgeschiedenen Zustand vor, und wenn die feste Lösung wärmebehandelt wird, fügen sich die Atome dann zusammen, um die feinen Körner des magnetischen Metalles zu bilden, wobei eine körnige Legierung bestehend aus vielen in einer Matrix des nichtmagnetischen Metalles verteilten feinen magnetischen Metallkörnern gebildet wird, d. h. die Wärmebehandlung ruft eine Umordnung der Atome in der festen Lösung (der ersten Schicht) derart hervor, daß eine einzige Phase der festen Lösung in zwei unterschiedliche Phasen der vielen magnetischen Metallkörner und der nichtmagnetischen Metallmatrix getrennt wird.The magnetic metal lies in the solid solution in an atomic form in the separated state before, and when the solid solution is heat-treated, add up then the atoms together to form the fine grains of magnetic metal, being a granular alloy consisting of many in a matrix of non-magnetic Metal distributed fine magnetic metal grains is formed, d. H. the Heat treatment causes a rearrangement of the atoms in the solid solution (the first Layer) so that a single phase of the solid solution into two different Phases of the many magnetic metal grains and the non-magnetic metal matrix is separated.

Eine Zwischenschicht-Umordnung oder Diffusion von Atomen zwischen der ersten Schicht der festen Lösung und der zweiten Schicht des zweiten nichtmagnetischen Metalles tritt in einem viel geringeren Umfang auf als diejenige innerhalb der ersten Schicht, was dazu führt, daß, wenn überhaupt, eine Zone wechselseitiger Diffusion in einem sehr geringen Umfang auftritt, die keinen wesentlichen Einfluß auf die Bildung der abwechselnden Schichtstruktur getrennter magnetischer und nichtmagnetischer Schichten hat, in der eine nichtmagnetische Schicht des zweiten nichtmagnetischen Metalles zwischen magnetischen Schichten bestehend aus einer körnigen Legierung bestehend aus vielen feinen Körnern des magnetischen Metalles, die in einer Matrix des ersten nichtmagnetischen Metalles verteilt sind, ausgebildet ist, wodurch sichergestellt wird, daß die abwechselnde Schichtstruktur einen starken magnetoresistiven (GMR) Effekt zeigt.An interlayer rearrangement or diffusion of atoms between the first layer the solid solution and the second layer of the second non-magnetic metal occurs to a much smaller extent than that within the first layer, what about this results in a zone of mutual diffusion in a very slight, if any Extent occurs that does not significantly affect the formation of the alternate Layer structure of separate magnetic and non-magnetic layers in which one non-magnetic layer of the second non-magnetic metal between magnetic Layers consisting of a granular alloy consisting of many fine grains of the magnetic metal distributed in a matrix of the first non-magnetic metal are formed, thereby ensuring that the alternating layer structure shows a strong magnetoresistive (GMR) effect.

Die Wärmebehandlung wird bevorzugt in Vakuum, Wasserstoffgas, Stickstoffgas oder einem inerten Gas ausgeführt, um eine Oxidation der Metalle zu verhindern. Eine optimale Wärmebehandlungstemperatur kann in Übereinstimmung mit der Legierungszusammensetzung, der abgeschiedenen Dicke, der Heizrate und der Heizzeit bestimmt werden.The heat treatment is preferably carried out in vacuum, hydrogen gas, nitrogen gas or an inert gas to prevent oxidation of the metals. An optimal one Heat treatment temperature can be in accordance with the Alloy composition, the deposited thickness, the heating rate and the heating time be determined.

Ein erfindungsgemäßer magnetischer Sensor weist typisch einen Film des stark magnetoresistiven Elementes (GMR-Film), einen nahe dem GMR-Film angeordneten magnetischen Metallfilm zur Lieferung eines vorpolenden magnetischen Feldes, ein Paar mit dem GMR-Film verbundene Elektroden an zwei ausgewählten Punkten zur Lieferung eines konstanten Stromes zum GMR-Film und einen Detektor zur Erfassung einer zwischen den Elektroden erzeugten Spannung auf.A magnetic sensor according to the invention typically has a film of strong magnetoresistive element (GMR film), one arranged near the GMR film magnetic metal film for the supply of a polarizing magnetic field, a pair electrodes connected to the GMR film at two selected points for delivery a constant current to the GMR film and a detector to detect one generated voltage between the electrodes.

Das GMR-Element und der magnetische Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung werden vorteilhaft für einen magnetoresistiven Sensor verwendet, der eine geschichtete Struktur bestehend aus wenigstens zwei Doppelschichteinheiten, die jeweils aus einem ersten Film eines ferromagnetischen Materiales und einem benachbarten zweiten Film eines nichtmagnetischen Materiales bestehen, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Stromflusses durch den Sensor, und eine Einrichtung zur Erfassung einer Spannungsänderung am Sensor aufgrund einer Widerstandsänderung des Sensors als Ergebnis einer Rotation der Magnetisierungsrichtung im ersten Film und als Funktion eines zu erfassenden äußeren magnetischen Feldes aufweist.The GMR element and the magnetic sensor according to the present invention are used advantageously for a magnetoresistive sensor that has a layered Structure consisting of at least two double-layer units, each consisting of one first film of a ferromagnetic material and an adjacent second film of a non-magnetic material exist, a device for generating a current flow by the sensor, and a device for detecting a voltage change on Sensor due to a change in resistance of the sensor as a result of rotation of the Magnetization direction in the first film and as a function of an outer one to be detected has magnetic field.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden eingehend anhand von Beispielen beschrieben.Preferred embodiments of the present invention are as follows described in detail using examples.

example 1

Fig. 1 zeigt die abwechselnde Schichtstruktur eines erfindungsgemäßen GMR-Elementes. Die in Fig. 1 gezeigte abwechselnde Schichtstruktur wurde durch das folgende Verfahren hergestellt. Fig. 1 shows the alternate layer structure of a GMR element of the invention. The alternate layer structure shown in Fig. 1 was produced by the following method.

Eine Haftschicht 6 aus Ta oder Ti wird zuerst auf einem Glassubstrat 5 ausgebildet und auf der Schicht 6 werden abwechselnd eine Co-Ag-Legierungsschicht 3 und eine Co-Schicht 4 Schicht für Schicht gebildet, um jeweils zehn Schichten abzuscheiden, d. h. zehn Paare der Co-Ag-Legierungsschicht 3 und der Co-Schicht 4 werden nacheinander abgeschieden, wie durch "X10" in Fig. 1 angedeutet ist. Insbesondere wird eine 20 Å dicke Legierungsschicht 3 einer festen Lösung von Co₆₆Ag₃₄ und eine 25 Å dicke Cu-Schicht 4 abwechselnd durch Sputtern (Druck: 5×10^-5 Pa, Ar: 0,1 Pa) abgeschieden. Um die Co₆₆Ag₃₄-Legierung zu sputtern, wird ein Target bestehend aus einer gepreßten Mischung von Co- und Ag- Pulvern in einem Verhältnis von 66 At.-% zu 34 At.-% verwendet. Die so abgeschiedene Schichtstruktur wird in einem Vakuum von 2×10^-8 Torr mit einer Heizrate von 10°C/min bei einer Haltetemperatur von 400°C für eine Haltezeit von einer Stunde wärmebehandelt, wobei eine Ofenkühlung auf Raumtemperatur folgt. Durch diese Wärmebehandlung wird die Co-Ag-Legierungsschicht 3, die ursprünglich eine feste Lösung war, in eine körnige Co-Ag-Legierung 3 bestehend aus vielen feinen in einer Matrix 2 aus Ag verteilten Körnern 1 aus Co umgewandelt.An adhesive layer 6 made of Ta or Ti is first formed on a glass substrate 5 and on the layer 6 a Co-Ag alloy layer 3 and a Co layer 4 are alternately formed layer by layer in order to deposit ten layers each, ie ten pairs of the Co -Ag alloy layer 3 and the Co layer 4 are deposited successively, as indicated by "X10" in FIG. 1. In particular, a 20 Å thick alloy layer 3 of a solid solution of Co₆₆Ag₃₄ and a 25 Å thick Cu layer 4 are alternately deposited by sputtering (pressure: 5 × 10 ^-5 Pa, Ar: 0.1 Pa). In order to sputter the Co₆₆Ag₃₄ alloy, a target consisting of a pressed mixture of Co and Ag powders is used in a ratio of 66 at.% To 34 at.%. The layer structure thus deposited is heat-treated in a vacuum of 2 × 10 ^-8 torr with a heating rate of 10 ° C./min at a holding temperature of 400 ° C. for a holding time of one hour, with furnace cooling following to room temperature. This heat treatment converts the Co-Ag alloy layer 3 , which was originally a solid solution, into a granular Co-Ag alloy 3 consisting of many fine Co grains 1 distributed in a matrix 2 of Ag.

Fig. 2 zeigt MR-Kurven des wie oben hergestellten GMR-Elementes mit einer Ti- Haftschicht 6, bestimmt durch ein Gleichstrom-Vierpolverfahren in einem Bereich des äußeren Magnetfeldes von ±1000 Oe. Ein MR-Verhältnis von 7,4% wird in einem externen magnetischen Feldbereich von ±30 Oe erzielt. Eine Empfindlichkeit von 0,1% pro Oe wird aus der Steigung des MR-Scheitels bestimmt, was 15 mal größer ist als diejenige, die mit einem aus einer körnigen Legierung allein bestehenden MR-Element erhalten wird. Fig. 2 shows the MR curve of the GMR element manufactured as above with a Ti adhesion layer 6, determined by a direct current four-terminal method-in an area of the external magnetic field of ± 1000 Oe. An MR ratio of 7.4% is achieved in an external magnetic field range of ± 30 Oe. A sensitivity of 0.1% per Oe is determined from the slope of the MR crest, which is 15 times larger than that obtained with an MR element made of a granular alloy alone.

Die gleichen MR-Kurven werden für beide Stromrichtungen senkrecht und parallel zur Richtung des externen magnetischen Feldes erhalten, was zeigt, daß das erfindungsgemäße GMR-Element keine magnetische Anisotropie aufweist. Dies liefert einen größeren Grad der Freiheit bei der Konstruktion von magnetischen Sensoren, die das GMR-Element verwenden, so wie Leseköpfe für magnetische Platten. So liefert die vorliegende Erfindung ein GMR-Element, das die Bauelementkonstruktion vereinfacht.The same MR curves are perpendicular to and parallel to both current directions Obtained direction of the external magnetic field, which shows that the inventive GMR element has no magnetic anisotropy. This provides a greater degree Freedom in designing magnetic sensors that are the GMR element such as read heads for magnetic disks. This is how the present invention provides a GMR element that simplifies component design.

Example 2

Erfindungsgemäße GMR-Elemente mit einer abwechselnden Schichtstruktur wurden unter den gleichen Bedingungen wie den in Beispiel 1 verwendeten hergestellt mit Ausnahme der folgenden Punkte. Die abgeschiedenen Schichten haben eine 16 Å dicke Co/Ag- Legierungsschicht und eine 40 Å dicke Cu-Schicht mit einer 50 Å dicken Ta-Haftschicht und verschiedene Co-Gehalte in der Co/Ag-Legierung von zwischen 50 und 100 At.-% Co. Um die Co/Ag-Legierungen mit verschiedenen Co-Anteilen zu sputtern, werden Targets aus gepreßten Mischungen von Co- und Ag-Pulver in Verhältnissen entsprechend den Legierungszusammensetzungen verwendet. Die so abgeschiedenen Schichten werden bei 300°C für eine Stunde ausgeheilt, worauf eine Ofenkühlung auf Raumtemperatur folgt.GMR elements according to the invention with an alternating layer structure have been under the same conditions as those used in Example 1 except the following points. The deposited layers have a 16 Å Co / Ag Alloy layer and a 40 Å thick Cu layer with a 50 Å thick Ta adhesive layer and various Co contents in the Co / Ag alloy of between 50 and 100 at% Co. In order to sputter the Co / Ag alloys with different Co contents Targets from pressed mixtures of Co and Ag powder in proportions accordingly the alloy compositions used. The layers so deposited are Healed at 300 ° C for one hour, followed by oven cooling to room temperature.

Fig. 3 zeigt die MR-Eigenschaften des so hergestellten GMR-Elementes gegen den Co- Gehalt der Co/Ag-Magnetschicht aufgetragen. Aus Fig. 3 kann man entnehmen, daß das MR-Verhältnis monoton ansteigt, wenn der Co-Gehalt ansteigt, während die Sättigungsmagnetisierung Hs steil abfällt, wenn der Co-Gehalt über 55 At.-% anwächst und dann stetig mit dem Anwachsen des Co-Gehaltes anwächst. Es sei festgehalten, daß die Sättigungsmagnetisierung Hs die Empfindlichkeit des GMR-Elementes repräsentiert. Um eine Verbesserung sowohl des MR-Verhältnisses als auch der Empfindlichkeit zu erreichen, ist der Co-Gehalt daher 55 At.-% oder größer. Es muß auch berücksichtigt werden, daß wenn die Körnerdichte oder Konzentration mehr als 80 At.-% beträgt, die feinen magnetischen Körner in Kontakt miteinander gebracht werden, so daß sie große Körner mit unregelmäßigen Formen bilden, in denen mehrere magnetische Domänen ausgebildet werden, wodurch sich die Empfindlichkeit verringert und induziertes Barkhausen-Rauschen auftritt. Daher ist der Co-Gehalt vorteilhaft innerhalb eines Bereiches von 55 At.-% und 80 At.-%. Fig. 3, the MR characteristics of the Co / Ag-magnetic layer exhibits the GMR element so produced is plotted against the Co content. From Fig. 3 it can be seen that the MR ratio increases monotonically as the Co content increases, while the saturation magnetization Hs drops steeply as the Co content increases above 55 at% and then steadily increases with the Co -Growth increases. It should be noted that the saturation magnetization Hs represents the sensitivity of the GMR element. Therefore, in order to improve both the MR ratio and the sensitivity, the Co content is 55 at% or more. It must also be considered that if the grain density or concentration is more than 80 at%, the fine magnetic grains are brought into contact with each other so that they form large grains with irregular shapes in which a plurality of magnetic domains are formed, thereby sensitivity decreases and induced Barkhausen noise occurs. Therefore, the Co content is advantageously within a range of 55 at% and 80 at%.

Example 3

Es werden die MR-Eigenschaften zwischen einem erfindungsgemäßen GMR-Element mit einer abwechselnden Schichtstruktur bestehend aus einer körnigen Co-Ag- Legierungsschicht und einer nichtmagnetischen Kupferschicht und einem GMR- Vergleichselement mit einer nicht geschichteten Struktur, nur bestehend aus der gleichen körnigen Co-Ag-Legierung verglichen. Ein GMR-Element mit einer erfindungsgemäßen abwechselnden Schichtstruktur, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, wird unter im wesentlichen den gleichen wie den in Beispiel 1 verwendeten Bedingungen hergestellt, mit Ausnahme der folgenden kleinen Änderungen. Die abgeschiedenen Schichtstrukturen enthalten eine 20 Å dicke Co₆₆Ag₃₄-Legierungsschicht und eine 25 Å dicke Cu-Schicht mit einer 50 Å dicken Ta-Haftschicht. Die so abgeschiedene Schichtstruktur wird bei 300°C für eine Stunde ausgeheilt, worauf eine Ofenabkühlung auf Raumtemperatur folgt. Ein GMR- Vergleichselement wird hergestellt durch Ausbilden lediglich einer Co/Ag- Legierungsschicht mit der gleichen Zusammensetzung wie die oben verwendete und der gleichen Dicke wie der Gesamtdicke der oben beschriebenen abwechselnden Schichtstruktur. Die so abgeschiedene Probe wird unter den gleichen wie oben verwendeten Bedingungen ausgeheilt.The MR properties are shown between a GMR element according to the invention with an alternating layer structure consisting of a granular Co-Ag alloy layer and a non-magnetic copper layer and a GMR comparison element with a non-layered structure, only consisting of the same granular Co-Ag alloy. Alloy compared. A GMR element with an alternating layer structure according to the invention, as shown in Fig. 1, is manufactured under substantially the same conditions as used in Example 1, except for the following minor changes. The deposited layer structures contain a 20 Å thick Co₆₆Ag₃₄ alloy layer and a 25 Å thick Cu layer with a 50 Å thick Ta adhesive layer. The layer structure thus deposited is cured at 300 ° C. for one hour, followed by cooling to room temperature. A GMR comparison element is made by forming only a Co / Ag alloy layer having the same composition as that used above and the same thickness as the total thickness of the alternating layer structure described above. The sample thus deposited is cured under the same conditions as used above.

Fig. 4 zeigt die MR-Kurven sowohl für die gerade abgeschiedenen als auch die ausgeheilten Proben. In dem gerade abgeschiedenen Zustand zeigt das erfindungsgemäße GMR-Element einen schwachen GMR-Effekt aufgrund einer schwachen antiferromagnetischen Kopplung zwischen den Schichten der festen Co/Ag-Lösung und wenn die Struktur bei 300°C ausgeheilt wurde, zeigt sie einen deutlich verstärkten GMR- Effekt aufgrund der Ablagerung von feinen Co-Körnern aus der festen Lösung, d. h. aufgrund der Umwandlung der festen Co/Ag-Lösung in eine körnige Co/Ag-Legierung. Die Vergleichsprobe zeigt auch nach dem Ausheilen bei 300°C lediglich einen leichten GMR-Effekt, aufgrund des Fehlens einer abwechselnden Schichtstruktur von magnetischen und nichtmagnetischen Schichten, in welcher Struktur eine nichtmagnetische Cu-Schicht zwischen den magnetischen Schichten der körnigen Co/Ag-Legierung liegt, um eine ausgedehnte magnetische/nichtmagnetische Grenzschicht zu bilden, die vorteilhafterweise eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den magnetischen Schichten hervorruft. Fig. 4 shows the MR curves for both the just deposited and the healed samples. In the just deposited state, the GMR element according to the invention shows a weak GMR effect due to a weak antiferromagnetic coupling between the layers of the solid Co / Ag solution, and when the structure has been healed at 300 ° C., it shows a significantly enhanced GMR effect due to the deposition of fine Co grains from the solid solution, ie due to the conversion of the solid Co / Ag solution into a granular Co / Ag alloy. The comparative sample shows only a slight GMR effect even after annealing at 300 ° C, due to the lack of an alternating layer structure of magnetic and non-magnetic layers, in which structure there is a non-magnetic Cu layer between the magnetic layers of the granular Co / Ag alloy to form an extended magnetic / non-magnetic boundary layer which advantageously creates an anti-ferromagnetic coupling between the magnetic layers.

Example 4

Es werden die MR-Eigenschaften eines erfindungsgemäßen GMR-Elementes mit einer abwechselnden Schichtstruktur einer körnigen Co₆₆Ag₃₄-Legierungsmagnetschicht und einer nichtmagnetischen Cu-Schicht, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, mit zwei herkömmlichen GMR-Elementen verglichen, wobei eines eine abwechselnde Schichtstruktur einer Co- Magnetschicht und einer nichtmagnetischen Cu-Schicht aufweist und das andere eine nicht geschichtete Struktur lediglich bestehend aus einer körnigen Co₄₁Ag₅₉-Legierung aufweist.The MR properties of a GMR element according to the invention with an alternating layer structure of a granular Co₆₆Ag₃₄ alloy magnetic layer and a non-magnetic Cu layer, as shown in FIG. 1, are compared with two conventional GMR elements, one of which is an alternating layer structure Co-magnetic layer and a non-magnetic Cu layer and the other has a non-layered structure consisting only of a granular Co₄₁Ag₅₉ alloy.

Fig. 5 zeigt MR-Kurven für diese drei Proben. Wie durch eine feingestrichelte Linie verdeutlicht ist, liefert das herkömmliche GMR-Element mit der abwechselnden Co/Cu- Schichtstruktur ein großes MR-Verhältnis von 25%, hat aber eine große Hysterese und eine geringe Empfindlichkeit (Steigung des MR-Maximums) bei geringen Magnetfeldern. Figure 5 shows MR curves for these three samples. As is shown by a fine dashed line, the conventional GMR element with the alternating Co / Cu layer structure provides a large MR ratio of 25%, but has a large hysteresis and a low sensitivity (slope of the MR maximum) with small magnetic fields .

Das herkömmliche GMR-Element mit der körnigen, nicht geschichteten 41At.-%Co- 59 At.-%Ag-Legierungsstruktur, das durch eine dicke gestrichelte Linie gezeigt ist, hat ein geringes MR-Verhältnis und eine geringe Empfindlichkeit und ebenfalls eine große Hysterese.The conventional GMR element with the granular, non-layered 41At .-% Co- 59 at% Ag alloy structure shown by a thick broken line has one low MR ratio and low sensitivity and also a large one Hysteresis.

Das erfindungsgemäße GMR-Element mit der abwechselnden Schichtstruktur einer magnetischen Schicht der körnigen Co/Ag-Legierung und der nichtmagnetischen Cu- Schicht, das durch eine durchgezogene Linie gezeigt ist, zeigt eine verbesserte Empfindlichkeit und eine verringerte Hysterese, obwohl das MR-Verhältnis nicht bemerkenswert groß ist.The GMR element according to the invention with the alternating layer structure magnetic layer of the granular Co / Ag alloy and the non-magnetic Cu Layer shown by a solid line shows an improved one Sensitivity and reduced hysteresis, although the MR ratio is not is remarkably large.

Example 5

GMR-Elemente mit einer abwechselnden Schichtstruktur aus einer körnigen Co₆₆Ag₃₄- Legierungsmagnetschicht und einer nichtmagnetischen Cu-Schicht, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, werden unter den gleichen wie in Beispiel 1 verwendeten Bedingungen hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Dicke der Cu-Schicht im Bereich von 20 Å bis 40 Å variiert wird.GMR elements with an alternating layer structure of a granular Co₆₆Ag₃₄ alloy magnetic layer and a non-magnetic Cu layer, as shown in Fig. 1, are produced under the same conditions as used in Example 1, except that the thickness of the Cu -Layer is varied in the range from 20 Å to 40 Å.

Fig. 6 zeigt das MR-Verhältnis der so hergestellten GMR-Elemente als Funktion der Cu- Schichtdicken. Fig. 6 shows the MR ratio of the GMR elements thus produced as a function of the Cu layer thicknesses.

Wie aus Fig. 6 entnommen werden kann, hängt das MR-Verhältnis von der Cu- Schichtdicke innerhalb des Bereiches von 20 Å bis 40 Å ab und ein maximales MR- Verhältnis wird bei einer Cu-Schichtdicke von 25 Å erhalten. Somit sind 25 Å in diesem speziellen Beispiel eine optimale Cu-Schichtdicke.As can be seen from FIG. 6, the MR ratio depends on the Cu layer thickness within the range of 20 Å to 40 Å, and a maximum MR ratio is obtained with a Cu layer thickness of 25 Å. In this particular example, 25 Å is an optimal Cu layer thickness.

Example 6

Ein erfindungsgemäßer Magnetsensor wird in der folgenden Verfahrenssequenz hergestellt.A magnetic sensor according to the invention is shown in the following process sequence manufactured.

Wie den Fig. 7 und 8 zu entnehmen ist, wird eine abwechselnde Schichtstruktur 8 mit der gleichen wie der in Beispiel 1 hergestellten Struktur auf einem Si-Substrat durch einen im wesentlichen gleichen Prozeß wie dem in Beispiel I verwendeten ausgebildet. Im einzelnen enthält die abwechselnde Schichtstruktur zehn Paare von 20 Å dicken körnigen Co₆₆Ag₃₄- Legierungsschichten und eine 25 Å dicke nichtmagnetische Cu-Schicht. Insbesondere wird zuerst eine 200 Å dicke vorpolende Ni₇₇Fe₁₈Cr₅-Schicht 10 und eine 150 Å dicke Ta- Haftschicht 9 auf einem Si-Substrat 11 in dieser Reihenfolge ausgebildet und die abwechselnde Schichtstruktur wird dann auf der Ta-Haftschicht 9 ausgebildet. Die abwechselnde Schichtstruktur zusammen mit der Haftschicht 9 und der vorpolenden Schicht 10 werden auf eine Dimension von 1 µm × 0,2 µm × 450 Å strukturiert. Cu- Elektroden 7 werden auf beiden Seiten der abwechselnden Schichtstruktur 8 angeordnet.As can be seen in Figs. 7 and 8, an alternate layer structure 8 is the same as the structure prepared in Example 1 on a Si substrate through a substantially same process as that used in Example I is formed. In particular, the alternating layer structure contains ten pairs of 20 Å thick granular Co₆₆Ag₃₄ alloy layers and a 25 Å thick non-magnetic Cu layer. Specifically, a 200 Å thick prepolar Ni₇₇Fe₁₈Cr₅ layer 10 and a 150 Å thick Ta adhesive layer 9 are first formed on a Si substrate 11 in this order, and the alternating layer structure is then formed on the Ta adhesive layer 9 . The alternating layer structure together with the adhesive layer 9 and the prepole layer 10 are structured to a dimension of 1 μm × 0.2 μm × 450 Å. Cu electrodes 7 are arranged on both sides of the alternating layer structure 8 .

Ein Erfassungsstrom von 5 mA wird den Cu-Elektroden 7 zugeführt. Die bei einem äußeren Magnetfeld innerhalb eines Bereiches von ±100 Oe gemessene Widerstandsänderung betrug 800 µV in Einheiten der Spannungsänderung.A detection current of 5 mA is supplied to the Cu electrodes 7 . The change in resistance measured in an external magnetic field within a range of ± 100 Oe was 800 µV in units of the change in voltage.

Wie oben beschrieben liefert die vorliegenden Erfindung ein stark magnetoresistives (GMR) Element mit einer verbesserten Empfindlichkeit bei niedrigen magnetischen Feldern durch eine magnetische/nichtmagnetische Schichtstruktur aufweisend magnetische Schichten bestehend aus einer körnigen Struktur oder einer körnigen Legierung, in der sich eine antiferromagnetische Kopplung zwischen benachbarten magnetischen Schichten ausbildet, während die Wechselwirkung zwischen den feinen Körnern in der magnetischen Schicht kontrolliert ist. Der hier verwendete Begriff "Empfindlichkeit" bedeutet, wenn nicht anders angegeben ist, die Magnetfeldempfindlichkeit definiert als Änderung des Magnetowiderstandes pro magnetischer Feldeinheit, die in "%/Oe" ausgedrückt werden kann.As described above, the present invention provides a highly magnetoresistive (GMR) element with improved sensitivity to low magnetic fields through a magnetic / non-magnetic layer structure having magnetic Layers consisting of a granular structure or a granular alloy in which an antiferromagnetic coupling between adjacent magnetic layers forms while the interaction between the fine grains in the magnetic Layer is controlled. The term "sensitivity" used here means if Unless otherwise stated, the magnetic field sensitivity is defined as a change in the Magnetoresistance per magnetic field unit, which are expressed in "% / Oe" can.

Claims

1. Having a strong magnetoresistive element:
an alternating layer structure of magnetic and non-magnetic layers,
wherein the alternating layer structure consists of a plurality of magnetic / non-magnetic units, each having a magnetic and a non-magnetic layer;
the magnetic layer consisting of a granular alloy consisting of numerous fine grains of a magnetic metal and a matrix of a first non-magnetic metal, and the fine grains being sufficiently small to form a single magnetic domain and distributed in the matrix in a sufficient density are to cause antiferromagnetic coupling between each adjacent pair of magnetic layers; and
wherein the non-magnetic layer consists of a second non-magnetic metal.

2. Strongly magnetoresistive element according to claim 1, characterized, that the granular alloy is the fine grains of the magnetic material in a density from 55 at.% to 80 at.% in units of the amount of the magnetic metal in the contains granular alloy.

3. Strongly magnetoresistive element according to claim 1 or 2, characterized, that the alternating layer structure of 5 to 7 magnetic / non-magnetic Layer structure units exist.

4. Strongly magnetoresistive element according to one of claims 1 to 3, characterized, that the alternate layer structure has a thickness of 400 Å or less.

5. Strongly magnetoresistive element according to one of claims 1 to 4, characterized, that the magnetic material is selected from the group consisting of Ni, Co, Fe and Alloys of these elements.

6. Strongly magnetoresistive element according to one of claims 1 to 5, characterized, that the first non-magnetic metal that forms the matrix and the second non-magnetic metal that forms the non-magnetic layer are selected from the Group consisting of Cu, Ag, Au, Pt and alloys of these elements.

7. Magnetic sensor having a strongly magnetoresistive element:
an alternating layer structure of magnetic and non-magnetic layers,
wherein the alternating layer structure consists of a plurality of magnetic / non-magnetic layer structure units, each having a magnetic and a non-magnetic layer;
the magnetic layer consisting of a granular alloy consisting of many fine grains of a magnetic metal and a matrix of a first non-magnetic metal, and the fine grains being sufficiently small to form a single magnetic domain and distributed in the matrix with a sufficient density are to cause antiferromagnetic coupling between each adjacent pair of magnetic layers; and
wherein the non-magnetic layer consists of a second non-magnetic metal.

8. Magnetic sensor according to claim 7, characterized, that the granular alloy is the fine grains of the magnetic material in a density from 55 at.% to 80 at.% in units of the amount of the magnetic metal in the contains granular alloy.

9. A process for producing a strongly magnetoresistive element, comprising the process steps:
alternately depositing a first layer of a solid solution of a magnetic metal and a first non-magnetic metal and a second layer of a second non-magnetic metal on a substrate to form a layer structure thus deposited, the magnetic metal in the solid solution in an amount corresponding to the following Density of numerous fine grains of magnetic metal is present; and
Heat treatment of the layer structure thus deposited such that the magnetic metal deposits in the first layer from the solid solution to form numerous fine grains of the magnetic metal, which grains are sufficiently small to form a single magnetic domain and in a matrix of the first non-magnetic metal are distributed, the numerous fine grains and the matrix forming a granular alloy and thus an alternating layer structure of a magnetic layer of the granular alloy and a non-magnetic layer of the second non-magnetic metal is formed.

10. The method according to claim 9, characterized, that the density of the numerous fine grains of magnetic metal in the matrix of the first non-magnetic metal 55 at.% to 80 at.% in units of the amount of magnetic metal in the solid solution.

11. The method according to claim 9, characterized, that the step of alternating deposition using one of the methods Sputtering, ion beam sputtering and molecular beam epitaxy is performed.