DE69623577T2

DE69623577T2 - Mehrschichtstruktur und Sensor sowie Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69623577T2
Application number: DE69623577T
Authority: DE
Inventors: Stephane Auffret; Franck Berthet; Christophe Cowache; Bernard Dieny
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: US6013365A; EP0779632A1; EP0779632B1; JPH09199325A; FR2742571A1; DE69623577D1; FR2742571B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Magnetfeld- oder Magnetfluss- Detektoren und insbesondere Magnetoresistenz-Sensoren. Letztere werden beispielsweise bei der magnetischen Aufzeichnung verwendet, um Informationen zu lesen, die auf einem magnetischen Träger zur Speicherung von Informationen aufgezeichnet sind. Ganz allgemein betrifft der in der vorliegenden Erfindung beschriebene Mikrosensor-Typ den Nachweis von schwachen Magnetfeldern (in der Regel in dem Bereich von 0,1 bis zu einigen 10 Oe, d. h. von einigen Alm bis zu einigen 1000 Alm). Als weitere Anwendungsbeispiele können genannt werden die Bestimmung eines elektrischen Stroms, der in einem elektrischen Leiter fließt auf der Basis der Messung des Magnetfeldes, das in der Nähe dieses Leiters vorliegt, Positionssensoren (Translations- oder Rotations-Sensoren) oder Magnetoresistenz-Bussolen.

Stand der Technik

Bis zum Jahre 1990 basierten die für den Nachweis von schwachen Magnetfeldern, insbesondere auf dem Gebiet der Magnetaufzeichnung verwendeten Magnetoresistenz-Sensoren auf dem Anisotropie-Effekt der Magnetoresistenz. Eine detaillierte Beschreibung dieses Effekts ist in dem Artikel von D. A. Thompson et al. in "IEEE Trans. Mag." Mag-11, Seite 1039 (1975), zu finden. Dieser Effekt, der in ferromagnetischen Übergangsmetallen (in Legierungen auf Basis von Ni, Co, Fe) vorhanden ist, besteht in einer Änderung der Resistivität des magnetischen Materials als Funktion des Winkels zwischen dem in dem magnetoresistiven Element zirkulierenden Messstrom und der Magnetisierung des Materials. Die relative Änderung der Resistivität des magnetischen Materials (Δp/p) kann bei Umgebungstemperatur in Feldern in der Größenordnung von kA/m bei den massiven ferromagnetischen Übergangsmetallen 4 bis 5% erreichen. Diese Amplitude wird jedoch um 1 oder 2% vermindert, wenn die gleichen Materialien in Form von dünnen Schichten mit einer Dicke in der Größenordnung von 15 bis 30 nm abgeschieden werden. Dieser Dickenbereich ist derjenige, der in den aktuellen Magnetoresistenz-Sensoren angewendet wird. Die Empfindlichkeit dieser Sensoren ist jedoch begrenzt. Darüber hinaus ist ihr Ansprechen nicht linear aufgrund der Tatsache, dass die Änderung der Resistivität proportional zum Quadrat des Kosinus des Winkels zwischen dem Strom und der Magnetisierung ist.
1989 wurden Riesen-Magnetoresistenz-Effekte in Mehrfachschichten (Fe 3 nm/Cr 0,9 nm)n und danach in zahlreichen anderen Mehrschichtensystemen entdeckt, die aus alternierenden Schichten aus einem ferromagnetischen Übergangsmetall und Schichten aus einem nicht-magnetischen Metall bestehen.
In dem Dokument "PATENT ABSTRACT OF JAPAN", Band 017, Nr. 383 (E- 1400), 19. Juli 1993 & JP-A-5/67 525 (TDK CORP) vom 19. März 1993, ist eine alternierende Folge von dünnen magnetischen Schichten beschrieben, die mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Fe, Co, Ni, Ag enthalten, wobei diese dünnen Schichten auf einer Pufferschicht 1 abgeschieden sind, die mindestens eines der Elemente Ag, Au, Cu enthält.
Nach dem angegebenen Beispiel besteht die Pufferschicht 1 aus Silber, hat eine Dicke von 73,9 nm und die Mehrschichtenstruktur 2 besteht aus alternierenden Schichten aus Co (Dicke 0,6 nm) und aus Ag (Dicke 2,1 nm).
Im "Journal of Crystal Growth", Band 111, Nr. 1/04, 2. Mai 1991, Seiten 1003- 1010, XP000298 493, von P. Etienne et al. mit dem Titel "Molecular Beam Epitaxial Growth of Cr/Fe, Ag/Fe, Ag/Cr and Ag/Co Superlattices on MgO (001) Substrates" ist die Verwendung des Paares Ag-Co aufgrund der Magnetoresistenz-Effekte beschrieben (Seite 1008, Spalte 1, 2. Abs.). Darin ist auch eine Struktur angegeben, in der eine Silberschicht zwischen einem MgO-Substrat und einer Co-Schicht angeordnet ist.
In einem Artikel im "JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERI- ALS", Band 140/144, Nr. Teil 01, 1. Februar 1995, Seiten 4951496 (L. B. STEREN et al.); ist ein Material beschrieben, das einen alternierenden Stapel umfasst, der aufweist:
- NiFe-Schichten,
- Ag-Schichten,
- ultradünne Co-Schichten.
Die Ag-Schicht befindet sich an der Grenzfläche zwischen der Kobaltschicht und der NiFe-Schicht (Spalte 1, Zeile 12, dieses Artikels).
In diesen Systemen ist der Magnetoresistenz-Effekt, wie in dem Artikel von STEREN et al. erklärt, im wesentlichen an eine Änderung der Orientierung, bezogen auf die Magnetisierungen der aufeinanderfolgenden ferromagnetischen Schichten, gebunden. Dieser Effekt wird in der Literatur als "Riesen-Magnetoresistenz" oder als "Spin-Ventil-Effekt" bezeichnet (englisch: "giant magnetoresistance" oder "Spin- Valve-Effekt"). Übersichten über diese Mehrschichtenmaterialien, die eine Riesen- Magnetoresistenz aufweisen, wurden von H. Yamamoto und T. Shinjo in "IEEE Translation Journal on Magnetics in Japan", Band 7, Nr. 9, September 1992, sowie von B. Dieny in "Journal of Magnetism and Magnetic Materials" 136 (1994), Seiten 335, veröffentlicht.
In dem Patent FR-2 698 965 mit dem Titel "structure et capteuer magnétique multicouches à forte magnetoresistance, et procede de fabrication de 1a structure" ist ein spezielles Mehrschichten-System auf Basis von alternierenden Schichten aus Permalloy (einer Legierung auf Basis von Ni und Fe mit einer Zusammensetzung in der Nähe von Ni&sub8;&sub0;Fe&sub2;&sub0;) mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 bis 2 nm und aus Ag (Dicke 1 bis 2 nm) beschrieben. Bei dieser Dicke von Ag liegt zwischen den Permalloy-Schichten durch die Ag-Schichten hindurch eine antiferromagnetische Kopplung vor. Wenn dieses Material durch Kathodenzerstäubung hergestellt wird unter gleichzeitigem Halten des Substrats im Verlaufe der Abscheidung bei einer tiefen Temperatur (flüssiger Stickstoff), dann weist es sehr gute magnetische Struktur-Eigenschaften und Magnetoresistivitäten auf, die es besonders vielversprechend für spezielle Anwendungen machen. Es weist nämlich eine gute Empfindlichkeit in bezug auf die Variationsabnahme relativ zum Widerstand R als Funktion des zu messenden Feldes H
d ΔR/R/dH in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2%IOe), eine gute Linearität des Ansprechverhaltens über einen breiten Bereich der zu messenden Felder in der Größenordnung von 1 bis einigen 10 Oe) auf. Darüber hinaus weist dieses Material eine gute thermische Stabilität bis zu Temperaturen in der Größenordnung von 250ºC auf aufgrund der Nichtmischbarkeit von NiFe und Ag. Die Eigenschaften des Materials nehmen jedoch ab, wenn Glühungen (Temperungen) bei Temperaturen oberhalb 250ºC durchgeführt werden. Es kann vorkommen, dass in technischen Lithographie-Verfahren, die in der Mikroelektronik zur Herstellung von Magnetfeld- Mikrosensoren angewendet werden, das Material mehrere Minuten lang auf Temperaturen über 250ºC hinaus (bis zu 300ºC) erwärmt wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die thermische Stabilität des Mehrschichtenmaterials zu verbessern und dies in der Weise zu erreichen, dass es ebenso gute Eigenschaften, ja sogar bessere Eigenschaften behält, nachdem es Temperaturen bis zu 300ºC ausgesetzt worden ist, als im Rohzustand der Abscheidung.

Beschreibung der Erfindung

Das Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, die thermische Stabilität des magnetoresistiven Materials, das Magnetoresistenz- Sensoren aufbaut, soweit wie möglich zu erhöhen unter gleichzeitiger Beibehaltung einer guten Empfindlichkeit des Materials in schwachen Feldern. Die Erhöhung der thermischen Stabilität gewährleistet auch eine höhere Langlebigkeit (Lagerbeständigkeit) des Materials und insbesondere eine bessere Beständigkeit gegen Elektromigration.
Gegenstand der Erfindung ist daher eine magnetische Schichtstruktur, wie sie in dem Patentanspruch 1 definiert ist.
Die Einführung der Grenzflächenschicht (Zwischenschicht) hat den Effekt, dass die Struktur-Stabilität des Materials stark erhöht wird, wenn dieses 20-minüten Glühungen unterworfen wird, die bis zu 300ºC gehen können. Ein Vergleich des Effekts einer 20-minütigen Glühung bei 300ºC bei einer Mehrschichten-Zusammensetzung (NiFe 2,5 nm/Ag 1,1 nm)20 und (Co 0,2 nm/NiFe 2,5 nm/Co 0,2 nm/Ag 1,1 nm)&sub2;&sub0; zeigt, dass die Magnetoresistenz-Eigenschaften der ersten Struktur (ohne Co an den Grenzflächen) im Verlaufe der Glühung verschlechtert werden, während die Magnetoresistenz-Eigenschaften der zweiten Struktur beibehalten werden. Darüber hinaus wird die Magnetoresistenz-Amplitude durch die Einführung der dünnen Co- Schicht zwischen den Grenzflächen ebenfalls stark erhöht. Eine Verdopplung der Magnetoresistenz-Amplitude ist festzustellen bei Strukturen mit der Zusammensetzung (NiFe 2,5 nm/Ag 1,1 nm)&sub1;&sub0; durch Einführen einer Co-Schicht von 0,25 nm zwischen die Grenzflächen.
Vorzugsweise umfasst der Stapel mindestens zwei Schichten des ersten Typs und eine Schicht des zweiten Typs.
Darüber hinaus kann auch eine Co-Schicht beiderseits des Stapels eingeführt werden.
Der Stapel kann verschiedene Schichten des ersten Typs und/oder verschiedene Schichten des zweiten Typs umfassen.
Im übrigen versteht man unter einer Schicht auf Basis von magnetischen Materialien eine Schicht, die der allgemeinen Formel entspricht Ni100-x-y-zCoxFeyAz, worin 0 ≤ x < 30; 0 ≤ y ≤ 100 und o ≤ z ≤ 40, und 0 ≤ x + y + z ≤ 100 und A für ein Element oder die Gesamtheit von mehreren Elementen steht. Als Beispiel für Materialien, die dieser Formel entsprechen, können genannt werden: Permalloy, mu-Metall, Supermalloy, Sundust ...
Eine an Silber reiche Legierung für die Schichten des zweiten Typs kann eine solche der Formel AgxCu1-x oder AgxAu1-x mit 0 < x < 0,5 sein. A priori führt reines Silber zu einer besseren thermischen Stabilität, das Hinzufügen von Kupfer oder, noch besser, von Gold, erlaubt jedoch die Herabsetzung des Sättigungsfeldes der Vorrichtung und somit die Erhöhung ihrer Empfindlichkeit.
Vorzugsweise hat die Grenzflächenschicht (Zwischenschicht) eine Dicke, die zwischen einem Bruchteil einer atomaren Ebene und mehreren atomaren Ebenen liegt.
Die Dicke der Schichten des zweiten Typs kann so sein, dass eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den Schichten des ersten Typs durch die Schichten des zweiten Typs und die Grenzflächenschichten hindurch besteht.
Die Dicke der Schichten des zweiten Typs kann beispielsweise zwischen 0,8 und 1,5 nm liegen.
Bei einem anderen Aspekt kann für bestimmte Anwendungen die Schicht des zweiten Typs von einer solchen Dicke sein, dass keine oder nur eine sehr geringe antiferromagnetische Kopplung zwischen den Schichten des ersten Typs vorliegt.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Schichtstruktur, wie sie in Anspruch 13 definiert ist.
Die Schichten können durch Metalldampf-Kondensation auf einem Substrat abgeschieden werden bei einer Temperatur unterhalb Umgebungstemperatur. Die Abscheidung kann beispielsweise erzielt werden durch Kathodenzerstäubung.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Mehrschichten-Sensor mit Magnetoresistenz-Effekt, der eine magnetische Schichtstruktur, wie sie vorstehend beschrieben wurde, umfasst.
Gegenstand der Erfindung ist somit außerdem ein Stromsensor, welcher der Messung des Stromes dient, der einen elektrischen Leiter durchfließt, der ein Magnetoresistenz-Band umfasst, das den Leiter umgibt und dessen Enden mit einer Strommess-Einrichtung verbunden werden sollen, wobei das Band aus einer magnetischen Schichtstruktur besteht, wie es vorstehend beschrieben worden ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Charakteristika und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung deutlicher hervor. Diese Beschreibung bezieht sich auf Ausführungsbeispiele, die nur der Erläuterung dienen und die Erfindung keineswegs beschränken, wobei in den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Mehrschichtenstruktur;
Fig. 2A und 2B die Magnetoresistenz einer Mehrfachschicht gemäß Stand der Technik bzw. gemäß der Erfindung;
Fig. 3A und 3B die Entwicklung bzw. Änderung der Magnetoresistenz als Funktion der Dicke der Co-Schicht,
Fig. 3C die Entwicklung bzw. Änderung des Sättigungsfeldes als Funktion der Dicke der Co-Schicht;
Fig. 4A und 4B die Entwicklung der Magnetoresistenz und des Sättigungsmagnetfeldes als Funktion der Dicke der Silberschicht;
Fig. 5 die schematische Darstellung einer Anwendung der Erfindung auf einen Stromsensor; und
Fig. 6 eine Anwendung der Erfindung auf einen Schreib- und/oder Lese- Magnetkopf.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen

Ein erstes Beispiel für eine erfindungsgemäße Struktur hat die Zusammensetzung:
Substrat/Pufferschichtl(Py ePy/X ex/(Ag eAg/X ex/Py ePY/X ex)n/Ag eAg/X ex/Py epy/- Deckschicht.
Eine solche Struktur ist in der Fig. 1 schematisch dargestellt, in der die Bezugsziffern 2 und 4 jeweils das Substrat und die Pufferschicht bezeichnen. Die Bezugsziffern 6 und 8 bezeichnen jeweils eine erste Schicht Py und eine Schicht X, die auch als Grenzflächenschicht (Zwischenschicht) bezeichnet wird. Die Gesamtheit Ag/X/Py/X wird global durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet. Diese Gesamtheit oder diese wiederkehrende Einheit kann n-fach wiederholt werden.
Die Bezugsziffern 12, 14 und 16 bezeichnen jeweils eine letzte Silberschicht, eine Grenzflächenschicht X und eine letzte Py-Schicht, auf der eine Deckschicht 18 abgeschieden ist.
Das Substrat 2 kann beispielsweise aus reinem Si oder schwach dotiertem Si (damit es nicht zu stark leitend ist im Verhältnis zur Mehrfachschicht und damit den Strom nicht überbrückt), aus Glas, Kapton, einem Oxid wie MgO und dgl. bestehen. Die Pufferschicht 4 dient dazu, die Strukturqualität des Materials bei seinem Wachstum zu verbessern. Sie kann beispielsweise aus Tantal sein mit einer Dicke von einigen nm (beispielsweise 5 nm).
Py steht für eine Legierung aus der Familie der Legierungen mit der Zusammensetzung Ni100-x-y-zCoxFeyAz und vorzugsweise für eine Legierung vom Permalloy- oder mu-Metall-Typ. Es gibt verschiedene Arten von Permalloy und mu-Metall mit einer Zusammensetzung nahe bei Ni&sub8;&sub0;Fe&sub2;&sub0; mit der Möglichkeit der Zugabe eines dritten oder vierten Elements wie Co oder Mo. Die Mehrzahl dieser Materialien ist charakterisiert durch milde magnetische Eigenschaften (eine geringe Hysterese (ein Koerzitiv-Feld in der Größenordnung von einigen Oe oder weniger), ein niedriges Sättigungsfeld (etwa 10 Oe (800 A/m) oder weniger), eine hohe Permeabilität (von mehreren Hundert) und kann in die vorgeschlagene Struktur aufgenommen werden.
In der allgemeinen Formel Ni100-x-y-zCoxFeyAz liegen x + y + z vorzugsweise zwischen 0 und 40, x zwischen 0 und 30, y zwischen 0 und 30 und z zwischen 0 und 20. A bezeichnet ein einziges Element oder mehrere Elemente, wie z. B. Cu, Cr, Mo, V, B, die gelegentlich als Additive in geringer Menge der Zusammensetzung von Legie rungen mit hoher Permeabilität (Permalloy, mu-Metall, Supermalloy...) zugesetzt werden. Beispiele für diese Legierungen sind in "Introduction to magnetic materials", Cullity, Addison-Wesly Publishing Company, 1972, Seite 529, Tabelle 13.6, angegeben.
ePy steht für die Dicke dieser Permalloy-Schichten (beispielsweise der Schichten 8, 16 in der Fig. 1). Sie kann variieren zwischen 1 und 20 nm und sie liegt vorzugsweise zwischen 1,5 und 5 nm. Diese Dicken müssen nämlich in der Größenordnung oder unterhalb derjenigen der freien Weglängen der Elektronen in diesen Materialien liegen (diese liegen in der Größenordnung von etwa 10 nm). Darüber hinaus ist en Maximum an Magnetoresistenz um eine Dicke von Py von 2,2 nm herum festzustellen, die beste Empfindlichkeit wird erhalten für Dicken von größer als 6 nm, während die thermische Stabilität ab etwa 5 nm abnimmt. Deshalb liegt die Dicke von Py vorzugsweise zwischen 1,5 und 5 nm.
X steht für die dünne Zwischenschicht (Grenzflächenschicht), die an den Grenzflächen zwischen der Schicht aus Permalloy und der Ag-Schicht (beispielsweise den Schichten 8 und 14 in der Fig. 1) eingeführt worden ist. X kann aus Co oder aus einer an Co reichen Legierung bestehen (beispielsweise aus Co&sub9;&sub0;Fe&sub1;&sub0; oder Co&sub7;&sub0;Fe&sub3;&sub0;). ex steht für die Dicke dieser Zwischenschicht (Grenzflächenschicht). Sie kann variieren von einem Bruchteil einer atomaren Ebene bis zu einigen atomaren Ebenen (beispielsweise von 2, 3 oder 4 Ebenen) und sie beträgt vorzugsweise etwa eine atomere Ebene (0,25 nm). Die Fig. 3B und 3C zeigen, dass eine atomare Ebene von Co genügt, um eine beträchtliche Zunahme der Riesen-Magnetoresistenz und der thermischen Stabilität zu erzielen. Die Verwendung von mehr als einer atomaren Ebene aus Co führt zu einer relativ deutlichen Erhöhung des Sättigungsfeldes und somit zu einer Verminderung der Empfindlichkeit des Materials.
eAg bezeichnet die Dicke der Silberschichten. Diese Dicke ist vorzugsweise so groß, dass eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den Permalloy-Schichten durch die Ag-Schichten hindurch besteht. Diese Bedingung ist erfüllt für Ag-Dicken zwischen etwa 0,9 und 1,3 nm.
n bezeichnet die Anzahl der Perioden der Mehrfachschicht, ohne dass die äußeren Py-Schichten gezählt werden (n kann von 0 bis zu jeder beliebigen ganzen Zahl variieren, es liegt jedoch in der Regel zwischen 0 und 50 für Anwendungen auf dem Gebiet der magnetischen Aufzeichnung).
Die Deckschicht 18 dient dazu, die Oxidation der Struktur zu vermeiden. Sie kann beispielsweise aus Ta bestehen.
In bezug auf die vorstehend vorgeschlagene Zusammensetzung können verschiedene Abänderungen vorgenommen werden. Es ist beispielsweise möglich, eine dünne Grenzflächenschicht (Zwischenschicht) zwischen der Pufferschicht und der ersten Schicht aus Py und/oder zwischen der letzten Schicht aus Py und der Deckschicht einzuführen oder auch damit zu beginnen, nach der Pufferschicht eine Ag- Schicht abzuscheiden oder zu enden vor der Deckschicht mit einer Ag-Schicht.
Ein weiteres Beispiel für die erfindungsgemäße Struktur ist eine solche vom "Spin-Ventil"-Typ auf Basis von Ag. Die einfachen Spin-Ventil-Strukturen vom Typ NiFe (6 bis 8 nm)/Cu (2 bis 4 nm)/NiFe (3 bis 6 nm)/FeMn (7 bis 12 nm) weisen durchaus vorteilhafte Magnetoresistenz-Eigenschaften für Anwendungen bei der Magnetaufzeichnung auf. Dies gilt sogar für die dualen Spin-Ventile wie NiO (5 bis 10 nm) /NiFe (3 bis 6 nm)/Cu (2 bis 4 nm)/NiFe (6 bis 8 nm)/Cu (2 bis 4 nm)/NiFe (3 bis 6 nm)/FeMn (7 bis 12 nm). Der Nachteil dieser Strukturen ist ein verhältnismäßig schlechtes Verhalten beim Glühen, das auf die Anwesenheit der NiFe/Cu-Grenzflächen zurückzuführen ist. Da Permalloy und Cu miteinander mischbar sind, neigen diese beiden Materialien dazu, beim Glühen ineinander zu diffundieren, was zu einer Verschlechterung der Magnetoresistenz-Eigenschaften führt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Spin-Ventil-Struktur mit der Zusammensetzung:
Substrat/Pufferschicht/Py (5 bis 10 nm)/X ex/Ag (2 bis 4 nm)/X ex/Py (3 bis 6 nm) /antiferromagnetische Schicht (beispielsweise FeMn mit 7 bis 12 nm)/Deckschicht.
Das Substrat, die Pufferschicht, die Deckschicht, die dünne Zwischenschicht haben die gleichen Eigenschaften wie für die vorgeschlagene erste Struktur beschrieben. Die antiferromagnetische Schicht dient dazu, durch Anisotropie die Magnetsieriungs-Änderung der benachbarten Py-Schicht einzugrenzen.
Eine dritte erfindungsgemäße Struktur, ählich der zweiten Struktur, ist eine duale Spin-Ventil-Struktur mit der Zusammensetzung:
Substrat/Pufferschicht/antiferromagnetische Schicht (beispielsweise aus NiO mit 5 bis 10 nm)/NiFe (3 bis 6 nm)/X ex/Ag (2 bis 4 nm)/X ex/NiFe (6 bis 8 nm)/X ex/Ag (2 bis 4 nm)/X ex/NiFe (3 bis 6 nm)/antiferromagnetische Schicht (beispielsweise aus FeMn mit 7 bis 12 nm)/Deckschicht.
Die Fig. 2A und 2B erläutern die Erhöhung der Stabilität der Eigenschaften dieser Strukturen beim Glühen zwischen 250 und 300ºC, was mit der Einführung von dünnen Grenzflächenschichten (Zwischenschichten) aus Co an den Py/Ag- Grenzflächenschichten in Zusammenhang steht. Die Fig. 2A zeigt die Magnetoresistenz einer Mehrfachschicht mit der rohen Abscheidungszusammensetzung (Kurve I): Substrat Si/SiO&sub2;/(Ni&sub8;&sub0;Fe&sub2;&sub0; 2,5 nm/Ag 1,1 nm)&sub2;&sub0;, nach 20-minütigem Glühen bei 275ºC (Kurve II) und nach 20-minütigem Glühen bei 290ºC (Kurve III). In diesen Figuren ist die Magnetoresistenz dargestellt durch
R(H)/R(O) · 100, entsprechend (ΔR/R + 1). 100. Man stellt fest, dass die Magnetoresistenz-Amplitude unter dem Einfluss dieser Glühungen beträchtlich abgenommen hat. Im Vergleich dazu zeigt die Fig. 2B die Magnetoresistenz einer Mehrfachschicht mit der rohen Zusammensetzung nach der Abscheidung:
Substrat Si/(Co 0,3 nm/Ni&sub8;&sub0;Fe&sub2;&sub0; 1,9 nm/Co 0,3 nm/Ag 1,1 nm)&sub2;&sub0;, (Kurve I) und nach verschiedenen aufeinanderfolgenden Glühungen (Kurven II-V) bei steigenden Temperaturen für jeweils 20 min. Man stellt fest, dass im Verhältnis zu dem Rohzustand der Abscheidung (Kurve I) die Magnetoresistenz nach dem Glühen bei 275ºC (Kurve V) zugenommen hat, während das Sättigungs-Magnetfeld abgenommen hat. Es ist nämlich erkennbar, dass nach dem Glühen die Magnetoresistenz sich bei einem kleineren Feldwert (Sättigungsfeldwert) nicht mehr verändert. Oberhalb von 275ºC und bis zu 310ºC (Kurve II: 310ºC, Kurve III: 300ºC, Kurve IV: 290ºC) nimmt die Magnetoresistenz-Amplitude allmählich ab, jedoch ohne einzusinken wie im Falle der Fig. 2A (ohne Co an den Grenzflächen). Außerdem überlagern sich die Kurven R(H)/R(O) · 100 zwischen 275 und 310ºC, während das Sättigungsfeld bei über 275ºC weiterhin abnimmt, bis zu Feldern in der Größenordnung von 2/3 des Sättigungsfeldes. Der Vergleich zwischen den Fig. 2A und 2B zeigt, dass die Zunahme der Stabilität der Magnetoresistenz-Eigenschaften des Materials im Verlaufe der Glühungen, mindestens bis zu 300ºC, erzielt wird durch Einführung von dünnen Co-Schichten zwischen den Permalloy/Ag-Grenzflächen.
Entsprechend wird durch das Einführen von dünnen Co-Schichten an den Permalloy/Ag-Grenzflächen die Magnetoresistenz-Amplitude des Materials erhöht. Dies ist in den Fig. 3A und 3B dargestellt. Die Fig. 3A zeigt ein Bündel von Kurven R(H)/R(O) · 100, das für unterschiedliche Proben mit steigenden Dicken eCo (in nm) der Co-Schichten an den Grenzflächen erhalten wird: Diese Proben haben die Zusammensetzung:
Substrat Si/SiO&sub2;/(Co eCoNi&sub8;&sub0;Fe&sub2;&sub0; (2,5-2 eCo)nm/Co eCoAg 1,1 nm)&sub1;&sub0;.
Bei diesem Versuch wurde die Gesamtdicke der magnetischen Co/NiFe/Co- Schichten konstant gehalten, um den Vergleich der Proben miteinander zu erleichtern. In der Fig. 3A stellt man eine sehr schnelle Zunahme der Magnetoresistenz- Amplitude fest, die im Zusammenhang steht mit der Einführung der Co-Zwischenschichten.
Die Fig. 3B zeigt die Magnetoresistenz-Amplitude als Funktion der Dicke eCo der Co-Schichten. Die durchgezogene Linie stellt ein Einstellung entsprechend dem phänomenologischen Exponentialgesetz dar:
ΔR/R = MR = 7,2 + 8,5(1 - exp(-eCo/0,16)),
worin eCo in Nanometer und MR in % angegeben sind.
Diese Kurve zeigt, dass die Magnetoresistenz-Amplitude bei geringen Dicken sehr schnell ansteigt, um praktisch eine Sättigung zu erreichen, wenn eine monoatomare Schicht von Co an den Grenzflächen eingeführt worden ist. Die Einführung einer atomaren Co-Schicht an den Permalloy/Ag-Grenzflächen genügt, um die Magnetoresistenz zu verdoppeln und eine bessere thermische Stabilität der Struktur zu gewährleisten.
Unglücklicherweise nimmt das Sättigungsfeld ebenfalls zu mit der Dicke der Co-Schichten an den Grenzflächen. Dies ist deutlich erkennbar in der Fig. 3A. Das Sättigungsfeld ist als Funktion der Dicke der Co-Schicht in der Fig. 3C aufgetragen. Die durchgezogene Kurve entspricht dem folgenden Gesetz:
Hsat(kOe) = 0,156 + 1,15 (1-exp (-eCo/0,12)),
worin eCo in nm und Hsat in kOe angegeben sind.
Das Sättigungsfeld Hsat nimmt ein weniger schneller zu als die Magnetoresistenz-Amplitude als Funktion der Dicke von Co. Dennoch kann dieses Sättigungsfeld verringert werden durch Variieren der Dicke der Ag-Schicht. Dies ist in der Fig. 4A erläutert, die ein Bündel von Kurven
R(H)/R(O) · 100 zeigt, die mit unterschiedlichen Proben entsprechend den zuneh- menden Dicken eAg der Ag-Schichten erhalten wurden. Diese Proben haben die Zusammensetzung:
Substraten Si/(Co 0,2 nm/Ni&sub8;&sub0;Fe&sub2;&sub0; 2,1 nm/Co 0,2 nm/Ag eAG)&sub1;&sub0;.
Es ist eine sehr starke Änderung des Sättigungsfeldes als Funktion der Dicke von Ag festzustellen. Die Kopplung zwischen den Permalloy-Schichten und der Co- Schicht an den Grenzflächen durch die Ag-Schicht hindurch ist antiferromagnetisch für Dicken der Ag-Schicht zwischen etwa 0,9 und 1,45 nm. Das Sättigungsfeld ist minimal am oberen Ende dieses Dickenbereiches von Ag, d. h. bei einer Ag-Dicke von 1,3 bis 1,4 nm. Dies wird in der Fig. 4B erläutert, welche die Änderungen des Sättigungsfeldes als Funktion der Dicke von Ag zeigt. Die bevorzugte Dicke von Ag, die anzuwenden ist, um die bestmögliche Empfindlichkeit ΔR/R(H) zu erzielen, liegt somit in der Größenordnung von 1,3 bis 1,4 nm.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung erzielten Ergebnisse sind überraschend aus den folgenden Gründen:
Es ist zunächst bekannt, bei Mehrfachschichten (Co/Ag), in denen die Co- Schichten sehr dünn sind (eine Dicke in der Größenordnung von einigen atomaneren Ebenen haben), dass ein Glühen dieser Strukturen zu einer Koaleszenz zu kleinen Inseln aus Co führt. Die ursprünglich im Rohzustand der Ablagerung kontinuierlichen Schichten verschieben sich im Verlaufe der Glühungen. Das Co koalesziert unter Bildung von kleinen Inseln, die zunehmend größer werden und einen zunehmend größeren Abstand voneinander haben im Verlaufe der Glühungen. Dieser Prozess ist beispielsweise beschrieben in der Publikation von E. A. M. Van Alphen, P. A. A. Van der Heijden, W. L. M. de Jonge im "Journal of Magnetism and Magnetic Materials" 140-144 (1995), Seite 609. Angesichts dieses Effekts hat der Fachmann keine Neigung, in die NiFe/Ag-Grenzflächen Co einzuführen, weil er befürchten musste, dass eine ähnliche Koaleszenz an den Grenzflächen auftritt. Wenn dies der Fall wäre, würde eine diskontinuierliche Grenzfläche entstehen, die aus NiFe/Ag-Stellen und anderen NiFe/Co/Ag-Stellen bestehen würde. Die Stellen ohne Co würden Schwachpunkte für die thermische Stabilität der Mehrschichten darstellen.
Die erhaltenen Versuchsergebnisse (Vergleich zwischen den Fig. 2A, ohne Co an den Grenzflächen, und 2B mit Co an den Grenzflächen) zeigen, dass die thermische Stabilität gut ist und durch die Einführung von Co zwischen die Grenzflächen stark verbessert wird. Dies legt nahe, dass die in die Grenzfläche eingeführte Co-Schicht als kontinuierlich angesehen werden kann und dass daher die Koaleszenz von Co in Form von kleinen Inseln allgemein als vernachlässigbar gering oder als Null angesehen werden kann. Dieses unterschiedliche Verhalten der dünnen Schichten aus Co zwischen dem System (Co/Ag) und demjenigen mit den Grenzflächen NiFe/Co/Ag ist sicherlich auf die unterschiedlichen Grenzflächenenergien der Grenzflächen NiFe/Co und Co/Ag zurückzuführen.
Ein weiteres Problem, das durch die Glühungen bei den Permalloy/Ag- Mehrschichten mit Co an den Grenzflächen auftreten könnte, rührt von der Mischbarkeit von Permalloy mit Co her. Die durchgeführten Glühungen könnten zu einer Diffusion des Co ins Innere von Permalloy führen. Die Grenzflächen würden dann zunehmend an Co verarmen, was dazu führen könnte, dass in den Co/NiFe/Co/Ag- Mehrfachschichten die gleichen thermischen Stabilitäts-Eigenschaften wie in den NiFe/Ag-Schichten festgestellt werden könnten. Dieses Phänomen tritt jedoch nicht auf oder nur in sehr geringem Umfang auf, da, wie die Fig. 2A und 2B zeigen, die thermische Stabilität der Mehrschichten-Zusammensetzung durch die Einführung von Co an den Grenzflächen verbessert wird. Eine bestimmte Diffusion von Co in Permalloy kann zwar tatsächlich auftreten, sie ist jedoch ausreichend begrenzt, sodass die Vorteile in bezug auf die thermische Stabilität nicht vollständig verloren gehen.
Die als Beispiel in der vorliegenden Beschreibung angegebenen Strukturen wurden durch Kathodenzerstäubung hergestellt. Das Grundvakuum in dem Herstellungsbehälter lag in der Größenordnung von 2 · 10.8 mbar. Als Gas für die Zerstäu bung wurden Argon unter einem Druck von 1,5 · 10&supmin;³ mbar verwendet. Das NiFe- Target wurde an eine Hochfrequenzquelle angeschlossen, die Co- und Ag-Targets wurden an Gleichstromquellen angeschlossen. Die Substrate wurden während der Abscheidung dieser Materialien auf eine Temperatur in der Nähe derjenigen von flüssigem Stickstoff abgekühlt, um die Koaleszenz der Ag-Schichten zu vermeiden. Zur Herstellung dieser Materialien können auch andere Verfahren zur Herstellung von dünnen Metallschichten angewendet werden, beispielsweise die Epitaxie durch einen Molekularstrahl oder die Zerstäubung durch Ionenstrahlen.
Eine erfindungsgemäße magnetische Struktur kann verwendet werden zur Herstellung eines Stromsensors, wie in der Patentanmeldung FR-2 710 753 (DD 1289) beschrieben.
Die Fig. 5 zeigt einen solchen Stromsensor 20 in einer Position zur Messung eines Stromes I, der durch einen elektrischen Leiter 22 fließt. Der Stromsensor 20 in Form eines Ringes weist ein magnetorsistives Band 24 auf, das ebenfalls in Form eines Ringes vorliegt. Die Enden 26 und 28 des Bandes 24 sind zueinander so angeordnet, dass das Band einen nahezu geschlossenen Kreis bildet. Diese Enden sind so angeordnet, dass sie die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Band 24 und einem kontinuierlichen Stromgenerator i (oder Spannungsgenerator) ermöglichen. Die Betrachtung der Spannung v an der Grenze des Bandes 24 erlaubt die Feststellung, dass sich der Widerstand des Bandes unter dem Einfluss des magnetischen Feldes HI, das durch den Strom I induziert wird, ändert. In dem gleichen Dokument ist auch eine elektrische Schaltung (Stromkreis) zur Messung von I beschrieben. Darin ist auch ein Verfahren zur Herstellung des Sensors beschrieben.
Eine erfindungsgemäße magnetische Struktur kann auch zur Herstellung eines Magnetkopfes verwendet werden.
Die Fig. 6 zeigt beispielhaft, wie erfindungsgemäß ein Schreib- und/oder Lese-Magnetkopf verwendet wird. Ein solcher Magnetkopf ist in der französischen Patentanmeldung Nr. 9313 249, eingereicht am 8. November 1993, beschrieben.
Der Magnetkopf ist im Schnitt dargestellt. Man erkennt ein Substrat 30, eine untere magnetische Schicht 32, zwei magnetische Pfeiler 341, 342, eine Leiterspule 36, zwei magnetische Elemente 40&sub1;, 40&sub2;, die einen ersten Luftspalt 42 bilden, ein magnetoresistentes Mehrschichtenelement 50, das oberhalb des Luftspaltes 42 angeordnet ist, einen Polarisationsleiter 80, der von einem Strom durchflossen wird, der senkrecht zur Ebene der Figur zirkuliert, zwei polare Elemente 901, 902, die einen zweiten Spalt 100 definieren, bei dem es sich um den Abspul-Spalt vor dem Magnetaufzeichnungsträger (nicht dargestellt) handelt, wobei das Ganze in ein Isoliermittel 102 eingebettet ist.
Durch Regulierung des in dem Leiter 80 zirkulierenden Stromes wird die Magnetoresistenz 50 auf einen geeigneten Wert vormagnetisiert.
Allgemein besteht der Hauptvorteil, der durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, darin, die Stabilität der Struktur-Eigenschaften des Materials im Verlaufe des Glühens bei Temperaturen, die von mindestens 250 bis zu 300ºC gehen können, Temperaturen, denen das Material bei lithographischen Verfahren ausgesetzt sein kann, zu verbessern. Außerdem erlaubt die Einführung von dünnen Zwischenschichten aus Co oder von dünnen Schichten aus an Co reichen Legierungen an den Permalloy/Ag-Grenzflächen die Erhöhung der Magnetoresistenz-Amplitude, was insbesondere in den Spin-Ventil-Strukturen zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit des Materials (zu einer Erhöhung von ΔR/R ohne signifikante Erhöhung der Feldänderung, die erforderlich ist, um die volle Magnetoresistenz-Amplitude zu erhalten) führt.

Claims

1. Magnetische Mehrschichtstruktur mit einem Stapel, der abwechselnd umfasst:

- Schichten (6, 16) eines ersten Typs auf der Basis magnetischer Materialien der folgenden Formel:

Ni100-x-y-zCoxFeyAz, wobei 0 ≤ x < 30, 0 ≤ y ≤ 100 und 0 ≤ z ≤ 40, und 0 ≤ x + y + z ≤ 100, und A ein einziges Element oder mehrere Elemente wie Cu, Cr, Mo, V, B bezeichnet,

- Schichten (12) eines zweiten Typs, aus Ag oder aus einer Ag-reichen Legierung,

- eine Grenz- bzw. Übergangsflächen-Dünnschicht (8, 14) aus Co oder einer Co-reichen Legierung, die sich an den Grenz- bzw. Übergangsflächen der Schichten des ersten Typs und der Schichten des zweiten Typs befindet.

2. Magnetische Struktur nach Anspruch 1, wobei die Schichten eines ersten Typs Schichten auf Permalloy-Basis sind.

3. Magnetische Struktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Ag-reiche Legierung die Zusammensetzung AgxCu1-x oder AgxAu1-x mit 0 < x < 0,5 hat.

4. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede Grenz- bzw. Übergangsflächenschicht eine Dicke hat, die zwischen einem Bruchteil einer atomaren Ebene und mehreren atomaren Ebenen enthalten ist.

5. Magnetische Mehrschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke der Schichten des zweiten Typs so ist, dass zwischen den Schichten des ersten Typs eine antiferromatgnetische Kopplung existiert, durch die Schichten des zweiten Typs und die Grenz- bzw. Übergangsflächenschichten hindurch.

6. Magnetische Mehrschichtstruktur nach Anspruch 5, wobei die Dicke der Schichten des zweiten Typs zwischen 0,8 und 1,5 nm enthalten ist.

7. Magnetische Mehrschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit zwei Schichten des ersten Typs und einer Schicht des zweiten Typs.

8. Magnetische Mehrschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit drei Schichten des ersten Typs und zwei Schichten des zweiten Typs.

9. Magnetische Mehrschichtstruktur nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Schicht(en) des zweiten Typs eine solche Dicke hat (haben), dass keine oder nur eine sehr schwache antiferromagnetische Kopplung zwischen den Schichten des ersten Typs existiert.

10. Magnetische Mehrschichtstruktur nach Anspruch 9, wobei die Schicht des zweiten Typs eine zwischen 2 und 5 nm enthaltene Dicke hat.

11. Magnetische Mehrschichtstruktur nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei eine antiferromagnetische Schicht auf einer der Schichten des ersten Typs abgeschieden wird.

12. Magnetische Struktur nach Anspruch 11, wobei die antiferromagnetische Schicht aus FeMn ist und ihre Dicke zwischen 7 und 12 nm enthalten ist.

13. Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Mehrschichtstruktur mit folgenden Schritten:

- Abscheiden von Schichten eines ersten Typs auf der Basis magnetischer Materialien der folgenden Formel:

Ni100-x-y-zCoxFeyAz, wobei 0 ≤ x < 30, 0 ≤ y ≤ 160 und 0 ≤ z ≤ 40, und 0 ≤ x + y + z ≤ 100, und A ein einziges Element oder mehrere Elemente wie Cu, Cr, Mo, V, B bezeichnet,

- Abscheiden von Schichten eines zweiten Typs, aus Ag oder aus einer Ag-reichen Legierung,

- Bilden einer Grenz- bzw. Übergangsflächendünnschicht aus Co oder einer Co-reichen Legierung an den Grenz- bzw. Übergangsflächen der Schichten des ersten Typs und des zweiten Typs.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die verschiedenen Schichten durch Kondensation von Metalldämpfen auf einem Substrat abgeschieden werden, dessen Temperatur niedriger ist als die Umgebungstemperatur.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Schichten des ersten und des zweiten Typs und die Grenz- bzw. Übergangsflächenschichten durch Sputtern erzeugt werden.

16. Mehrschichtsensor mit magnetoresisitvem Effekt mit einer magnetischen Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

17. Strom-Meßfühler (20) zum Messen des einen elektrischen Leiter (22) durchfließenden Stroms, einen magnetoresitiven Streifen (24) umfassend, der den Leiter umgibt und dessen Enden (26, 28) dazu bestimmt sind, mit einer Strommessvorrichtung verbunden zu werden, wobei der Streifen durch eine magnetische Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12 gebildet wird.

18. Schreib- und/oder Lese-Magnetkopf mit einem magnetoresistiven Schichtelement (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.