DE10003471A1

DE10003471A1 - Spin-Ventil-Magnetowiderstandselement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10003471A1
Application number: DE10003471A
Authority: DE
Inventors: Naoya Hasegawa
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2000-08-03
Also published as: KR20000053639A; JP2000215422A; KR100363462B1

Abstract

Ein Magnetowiderstandselement vom Spin-Typ und ein ein solches Element enthaltender Dünnschicht-Magnetkopf üben auf eine fixierte magnetische Schicht ein hervorragendes anisotropes Austauschmagnetfeld aus, zeigen zufriedenstellendes lineares Ansprechverhalten, können Barkhausen-Rauschen unterdrücken, Lesestrom-Nebenschluß minimieren und eine zufriedenstellende Widerstands-Änderungsrate aufweisen. Das Magnetowiderstandselement besitzt eine Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht aus einem ersten antiferromagnetischen Material, eine fixierte magnetische Schicht, deren Koerzitivkraft durch die Verstärkungsschicht zum Festlegen ihrer Magnetisierungsrichtung erhöht wird, und eine freie magnetische Schicht, deren Magnetisierung in einer Richtung orientiert ist, die diejenige der fixierten magnetischen Schicht schneidet. Ein Lesestrom fließt in eine Richtung, die die fixierte Richtung der Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht schneidet. Eine Änderung des elektrischen Widerstands wird ermittelt aus einem Winkel, der gebildet wird durch die Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht und diejenige der freien magnetischen Schicht. Die fixierte magnetische Schicht ist durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht in eine erste und eine zweite fixierte Teilschicht aufgeteilt, wobei die zweite Teilschicht der nichtmagnetischen leitenden Schicht benachbart ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spin-Ventil-Magnetowiderstandselement, wel ches Anwendung bei einem Magnetkopf, einem Stellungsfühler, einem Drehfühler etc. findet. Außerdem betrifft die Erfindung ein Herstellungs verfahren für ein solches Element und einen Dünnschicht-Magnetkopf mit einem solchen Element.

Bekannt sind als Magnetowiderstands-Lesekopf (MR-Kopf) ein anisotro per Magnetowiderstands-Kopf oder Magnetoresistenz-Kopf (AMR), der den anisotropen Magnetowiderstands-Effekt nutzt, und ein sogenannter Riesenmagnetowiderstands-Kopf oder Riesen-Magnetoresistenz-Kopf (GMR; Giant Magneto-Resistive-Head), der das Phänomen des spin abhängigen Streuens von Leitungselektronen nutzt. Als spezielles Beispiel für den GMR-Kopf ist in dem US-Patent 5,159,513 ein Spinventilkopf (spin-valve head) dargestellt, der in einem schwachen externen Magnet feld einen starken Magnetoresistenzeffekt aufweist.

Die Erfinder haben gemäß dem US-Patent 5,910,344 ein Magnetowider standselement offenbart, welches in der Lage ist, einen extrem starken Magnetoresistenzeffekt zu zeigen, wobei es sich um ein Beispiel ange wandter Technologie bei einem Spinventilkopf handelt.

Fig. 16 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Magnetowiderstands elements, wie es in der US-A-5,910,344 dargestellt ist. Bei dem Aufbau nach diesem Beispiel sind auf einem Substrat 200 eine Koerzitivkraft- Verstärkungsschicht 201, eine fixierte magnetische Schicht 202, eine nicht magnetische leitende Schicht 203 und freie magnetische Schicht 204 in dieser Reihenfolge niedergeschlagen. Außerdem finden sich an den beiden Rändern der freien magnetischen Schicht 204 antiferromagne tische Schichten 205, die einen Abstand voneinander aufweisen, welcher einer Spurbreite Tw entspricht. Auf den antiferromagnetischen Schichten 205 befinden sich Stromleitschichten 206, und auf den Stromleitschichten 206 sowie einem mittleren Bereich der freien magnetischen Schicht 204 befindet sich eine diese Schichten abdeckende obere Isolierschicht 207.

Bei dem Aufbau des in Fig. 16 gezeigten Elements ist die Koerzitivkraft- Verstärkungsschicht 201 z. B. aus α-Fe₂O₃ gebildet, die fixierte magne tische Schicht 202 besteht aus Co oder einer Ni-Fe-Legierung, die nicht magnetisch leitende Schicht 203 besteht aus Cu, die freie magnetische Schicht 204 aus Co oder einer Ni-Fe-Legierung, die antiferromagneti schen Schichten 205 sind aus einer eine unregelmäßige Struktur aufwei senden PtMn-Legierung gebildet, die Stromleitschichten 206 bestehen aus Cu, und die Schutzschicht 207 besteht aus Al₂O₃.

Die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 201 hat die Aufgabe, eine Koer zitivkraft der fixierten magnetischen Schicht 202, die ihr benachbart ist, zu erhöhen, um die Magnetisierung in einer Richtung zu orientieren. Bei dem in Fig. 16 dargestellten Aufbau beispielsweise ist die Magnetisie rungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht 202 in die Richtung Y orientiert, angedeutet durch einen Pfeil b in Fig. 16. Außerdem verleihen die antiferromagnetischen Schichten 205 der benachbarten freien magne tischen Schicht 204 eine unidirektionale Anisotropie. Dies hat zur Folge, daß eine in einen Einzeldomänenzustand auszurichtende Zone entspre chend der Spurbreite in der Magnetisierung orientiert wird. Wenn eine Längs-Vormagnetisierung bei Fehlen eines äußeren Magnetfeldes ange legt wird, wird die Magnetisierung der freien magnetischen Schicht 204 in Richtung X' orientiert, angedeutet durch Pfeile a.

Wenn die Magnetisierung der vierten magnetischen Schicht 202 durch die oben erläuterte Struktur des Elements in Richtung Y fixiert ist, und dabei ein magnetischer Streu- oder Randfluß von einem magnetischen Aufzeichnungsmedium, beispielsweise einer Festplatte, angelegt wird, so wird die Magnetisierungs-Orientierung der freien magnetischen Schicht 204 gegenüber der Orientierung der Magnetisierung der fixierten magne tischen Schicht 202 gedreht, was eine Änderung des Widerstands zur Folge hat, zurückzuführen auf die spinabhängige Streuung von Leitungs elektroden. Dies macht es möglich, Änderungen des Widerstands zu lesen, indem ein Ruhestrom, d. h. ein Lesestrom durch die Stromlei tungsschichten 206 der in Fig. 16 dargestellten Struktur geleitet wird, anhand dessen magnetische Information in einem magnetischen Aufzeich nungsmedium gelesen werden kann.

Die Längs-Vormagnetisierung in der oben erläuterten Struktur des Ele ments wird in Richtung X' gemäß Fig. 16 aufgeprägt, um Barkhausen- Rauschen zu unterdrücken, welches von der freien magnetischen Schicht 204 erzeugt wird, die zahlreiche magnetische Domänen bildet. In ande ren Worten: die Längs-Vormagnetisierung wird angelegt, um die Wider standsänderungen mit weniger Rauschen für Induktionsflüsse aus einem magnetischen Medium zu garantieren.

Bei diesem Typ von Spinventil-Magnetowiderstandselement muß aus reichend Strom durch die freie magnetische Schicht 204, die nicht ma gnetische leitende Schicht 203 und die fixierte magnetische Schicht 202 fließen, die zu dem Magnetowiderstandseffekt beitragen. Wünschenswert ist es, einen Stromnebenschluß zu anderen Teilen weitgehend zu ver meiden.

In diesem Zusammenhang kann das Spinventil-Magnetowiderstandsele ment mit einem antiferromagnetischen Oxidmaterial, α-Fe₂O₃, das die in Fig. 16 dargestellte Struktur hat, den Nebenschluß des Lesestroms des halb verringern, weil α-Fe₂O₃ selbst ein Isolator ist. Dieses Merkmal liefert einen starken Magnetowiderstandseffekt mit sich daraus ergeben dem hohen Ausgangssignal.

Eine Sperrtemperatur des antiferromagnetischen Oxidmaterials, α-Fe₂O₃, beträgt 320°C oder mehr, was höher ist als die 230°C betragende Sperrtemperatur von NiO, welches als weiteres antiferromagnetisches Oxidmaterial bekannt ist, oder auch viel höher ist als die 150°C betra gende Sperrtemperatur einer FeMn-Legierung, welche in großem Um fang als antiferromagnetisches Material bekannt ist. Deshalb ist das antiferromagnetische Oxidmaterial α-Fe₂O₃ gekennzeichnet durch hervor ragende thermische Stabilität. Außerdem ist α-Fe₂O₃ ursprünglich ein Oxid, so daß es auch zufriedenstellende Korrosionsbeständigkeit besitzt, wohingehen die FeMn-Legierung, die als antiferromagnetisches Material weithin bekannt ist, eine unzureichende Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Wenngleich das Magnetowiderstandselement mit dem in Fig. 16 Aufbau die oben angegebenen Merkmale aufweist, so weist es trotzdem das Problem auf, daß die Schwierigkeit bei der antiferromagnetischen Oxid schicht aus α-Fe₂O₃ besteht, ein anisotropes Austauschmagnetfeld (Hex) zum Fixieren der Magnetisierung der fixierten Magnetschicht 202 zu erhöhen. Aus diesem Grund ergab sich das Problem, daß die Richtung der Magnetisierung der fixierten Magnetschicht 202 durch ein Magnet feld geneigt wurde, welches durch eine Längs-Vormagnetisierung gebil det wurde, was zu einer geringen Stabilität des Magnetowiderstandsele ments führte.

Darüber hinaus kann das Spinventil-Magnetowiderstandselement unter Verwendung des oben angesprochenen antiferromagnetischen Oxidmate rials α-Fe₂O₃ ein anisotropes Austauschmagnetfeld von annähernd 600 Oe liefern. Derzeit wird es für ein typisches Spinventil-Magnetowider standselement als erstrebenswert angesehen, ein anisotropes Austausch magnetfeld von 400 Oe oder darüber zu schaffen. Folglich erfüllt das Element unter Verwendung von α-Fe₂O₃ die Grundforderung, allerdings mußte das Element ein viel stärkers anisotropes Austauschmagnetfeld bereitstellen.

Fig. 17 zeigt ein weiteres Beispiel der Struktur, in der eine Längs-Vor magnetisierung in dem Spinventil-Magnetowiderstandselement angelegt wird. Bei diesem Aufbau sind auf einem Substrat ein Laminat 215 aus einer antiferromagnetischen Schicht 210, einer fixierten magnetischen Schicht 211, eine nicht magnetischen leitenden Schicht 212 und einer freien magnetischen Schicht 213 niedergeschlagen, und auf der rechten und auf der linken Seite des Laminats 215 sind eine harte Vormagnetisie rungsschicht 216 aus einem harten magnetischen Material und Stromleit schichten 217 niedergeschlagen.

Bei dem in Fig. 17 dargestellten Elementenaufbau besteht die Möglich keit, die antiferromagnetische Schicht 210 durch Verwendung von α- Fe₂O₃ zu bilden, damit sie als Spinventilelement fungieren kann. Aller dings gibt es das Problem, daß eine äußerst komplizierte, zwei Schritte umfassende Magnetisierung im Zuge des Fertigungsverfahrens erforder lich ist, um die in Fig. 17 dargestellte Struktur des Elements zu erhalten.

Genauer: Der im folgenden beschriebene Weg, das in Fig. 17 darge stellte Element herzustellen, hat beträchtliche Schwierigkeiten bereitet. Wenn man die antiferromagnetische Schicht 210 als erstes magnetisiert, um anschließend die harte Vormagnetisierungsschicht 216 zu magnetisie ren, so ist es äußerst schwierig, diese harte Vormagnetisierungsschicht 216 zu magnetisieren, ohne dabei die Magnetisierungsrichtung der anti ferromagnetischen Schicht 210 zu stören, die als erstes magnetisiert wurde, weil nämlich die Magnetisierungsrichtung der antiferromagneti schen Schicht 210 aus α-Fe₂O₃ gegenüber der Magnetisierungsrichtung der harten Vormagnetisierungsschicht 216 um 90° versetzt ist.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf eine Lösung der oben angesprochenen Probleme gemacht, und folglich ist es Ziel der vorlie genden Erfindung, ein Spinventil-Magnetowiderstandselement anzugeben, welches sich durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit auszeichnet, das Anlegen eines extrem guten anisotropen Austauschmagnetfelds er möglicht, zufriedenstellend lineares Ansprechverhalten zeigt, in der Lage ist, Barkhausen-Rauschen zu unterdrücken, den Nebenschluß des Lese stroms minimiert und außerdem eine zufriedenstellende Widerstands änderungsrate aufweist; außerdem soll ein Dünnschicht-Magnetkopf geschaffen werden, der mit einem Spinventil-Magnetowiderstandselement ausgestattet ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Spinventil-Magnetowider standselement anzugeben, welches sich durch hervorragendes lineares Ansprechverhalten, Beständigkeit gegenüber Temperaturänderungen und durch Unterdrücken von Barkhausen-Rauschen auszeichnet, indem eine antiferromagnetische Schicht mit hoher Sperrtemperatur geschaffen wird; außerdem soll ein Dünnschicht-Magnetkopf mit dem Spinventil-Magneto widerstandselement ausgerüstet werden.

Ein noch weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Fertigen eines Spinventil-Magnetowiderstandselements, welches ein einfaches, zuverlässiges Magnetisieren einer antiferromagne tischen Schicht und einer harten Vormagnetisierungsschicht ermöglicht, die verschiedene Magnetisierungsrichtungen aufweisen, ohne daß das Erfordernis einer speziellen Wärmebehandlung bei der Fertigung eines Magnetowiderstandselements mit den oben angegebenen hervorragenden Merkmalen besteht.

Zu diesem Zweck schafft die vorliegenden Erfindung ein Magnetowider standselement vom Spinventil-Typ mit einer aus einem ersten antiferro magnetischen Material gebildeten Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht; einer fixierten magnetischen Schicht, deren Koerzitivkraft durch ein magnetisches Austauschkoppelfeld seitens der Koerzitivkraft-Verstär kungsschicht verstärkt wird, um ihre Magnetisierungsrichtung zu fixie ren; und eine nichtmagnetische leitende Schicht, die zwischen der fixier ten magnetischen Schicht und einer freien magnetischen Schicht gebildet ist, deren Magnetisierung in eine Richtung orientiert ist, die die fixierte Magnetisierungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht schneidet; wobei ein Lesestrom in einer Kreuzungsrichtung der fixierten Magneti sierungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht geleitet wird und eine Änderung des elektrischen Widerstands nachgewiesen wird, aus einem Winkel, der durch die Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht und der Magnetisierung der freien magnetischen Schicht gebildet wird; wobei die fixierte magnetische Schicht in zwei Schichten separiert ist, nämlich eine erste fixierte magnetische Teilschicht benachbart zu der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, und eine zweite fixierte magnetische Teilschicht benachbart zu der nicht magnetischen leitenden Schicht, wobei zwischen diesen beiden Schichten eine nichtmagnetische Zwischenschicht vorhanden ist.

In einer bevorzugten Form der Erfindung wird ein ferromagnetischer Zustand erzeugt, bei dem eine Magnetisierungsorientierung der ersten fixierten magnetischen Teilschicht um 180° versetzt wird gegenüber derjenigen der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht, wodurch eine antiparallele Beziehung geschaffen wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Wert eines ma gnetischen Moments, repräsentiert durch einen integrierten Wert einer Sättigungsmagnetisierung und eine Dicke der ersten fixierten magneti schen Teilschicht, verschieden von einem Wert eines magnetischen Mo ments, der repräsentiert wird durch einen integrierten Wert einer Sätti gungsmagnetisierung und eine Dicke der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht, wobei die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht eine magne tische Austauschkupplung auf die durch die erste fixierte magnetische Teilschicht und die zweite fixierte magnetische Teilschicht gebildete fixierte magnetische Schicht in dem obigen Zustand ausübt, in welchem die Werte der magnetischen Momente unterschiedlich sind, um dadurch ein magnetisches Austauschkoppelfeld zu steigern.

In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen Mittel zum Anlegen einer Längs-Vormagnetisierung zur Orientierung der Ma gnetisierung der freien magnetischen Schicht aus harten Vormagnetisie rungsschichten, die gebildet werden durch ein hartmagnetisches Material und auf beiden Seiten in einer Richtung orthogonal zur Dickenrichtung der freien magnetischen Schicht vorgesehen sind.

In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Einrich tung zum Anlegen einer Längs-Vormagnetisierung zum Orientieren der Magnetisierung der freien magnetischen Schicht eine Längs-Vormagneti sierungsschicht sein, gebildet aus einem zweiten antiferromagnetischen Material, welches benachbart zu der freien magnetischen Schicht nieder geschlagen ist, wobei ein unidirektionales Austausch-Vormagnetisie rungsfeld auf die freie magnetische Schicht von der Längs-Vormagneti sierungsschicht zur Einwirkung gebracht wird, um magnetische Anisotro pie zu induzieren und damit eine magnetische Domäne innerhalb der freien magnetischen Schicht zu stabilisieren.

In einer weiteren bevorzugten Form kann die Einrichtung zum Anlegen einer Längs-Magnetisierung zur Orientierung der Magnetisierung der freien magnetischen Schicht eine Längs-Vormagnetisierungsschicht sein, gebildet durch eine ferromagnetische Schicht benachbart zu der freien magnetischen Schicht, und eine zweite antiferromagnetische Schicht, die auf die ferromagnetische Schicht niedergeschlagen ist, wobei von der Längs-Vormagnetisierungsschicht auf die ferromagnetische Schicht ein unidirektionales Austausch-Vormagnetisierungsfeld zur Einwirkung ge bracht wird, um magnetische Anisotropie zu induzieren und dadurch eine magnetische Domäne in der freien magnetischen Schicht zu stabilisieren aufgrund der ferromagnetischen Kopplung zwischen der freien magneti schen Schicht und der ferromagnetischen Schicht.

In einer weiteren bevorzugten Form setzt sich die Koerzitiv-Verstär kungsschicht zusammen aus einem antiferromagnetischen Oxidmaterial, wobei die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht, deren Ma gnetisierung durch die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht fixiert wird, so eingestellt wird, daß sie größer ist als ein unidirektionales Austausch- Vormagnetisierungsfeld, welches in der fixieren magnetischen Schicht von der antiferromagnetischen Schicht induziert wird.

Vorzugsweise wird in der erfindungsgemäßen Struktur die Koerzitivkraft- Verstärkungsschicht durch α-Fe₂O₃ gebildet.

Ein erfindungsgemäßer Dünnschicht-Magnetkopf ist mit einem oben beschriebenen Spinventil-Magnetowiderstandselement ausgestattet als Element zum Lesen magnetischer Information.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fertigungsverfahren für ein Spinventil-Magnetowiderstandselement ange geben, welches gebildet wird durch eine Koerzitivkraft-Verstärkungs schicht, eine dieser benachbarte fixierte magnetische Schicht, eine nicht magnetische leitende Schicht, eine freie magnetische Schicht, eine Vor magnetisierungsschicht zum Anlegen einer Längs-Vormagnetisierung an die freie magnetische Schicht, und eine Stromleitschicht, die auf ein Substrat niedergeschlagen sind, wobei die fixierte magnetische Schicht aufgetrennt ist in zwei Schichten mit einer dazwischenliegenden nicht magnetischen Zwischenschicht, und wobei das Fertigungsverfahren bein haltet: einen Schritt des Ausbildens der vorerwähnten Schichten auf dem Substrat, das anschließende Steigern der Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht durch Magnetisieren der fixierten magnetischen Schicht in einem Magnetfeld in einer Richtung rechtwinklig zu einer Spurbreite, oder durch Glühen in einem magnetischen Feld mit einer ersten Temperatur, um die Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht festzulegen, und einen Schritt des Glühens im Beisein eines angelegten Magnetfelds, welches schwächer ist als die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht in Richtung der Spurbreite, um dadurch ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fertigungsverfahren für ein Spinventil-Magnetowiderstandselement ge schaffen, welches folgende Schritte beinhaltet: Auf einem Substrat wird ein Laminat gebildet, welches eine Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, eine fixierte magnetische Schicht, eine nicht magnetische leitende Schicht und eine freie magnetische Schicht enthält und eine einer Spurbreite entsprechende Breite besitzt; es werden Hart-Vormagnetisierungsschich ten aus einem hartmagnetischen Material auf beiden Seiten des Laminats in Richtung der Spurbreite gebildet; die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht wird erhöht durch ein Austausch-Koppelmagnetfeld der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, indem auf die fixierte Schicht, die der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht benachbart ist, in einer Rich tung rechtwinklig zur Richtung der Spurbreite bei Zimmertemperatur ein Magnetfeld zur Einwirkung gebracht wird, oder letzteres geschieht, während gleichzeitig geglüht wird, um dadurch eine Magnetisierungs richtung zu fixieren; außerdem wird ein Magnetfeld, welches schwächer ist als eine Koerzitivkraft der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, in einer Richtung der Spurbreite zur Einwirkung gebracht, um die hartma gnetische Vormagnetisierungsschicht zu magnetisieren und dadurch zu veranlassen, daß auf die freie magnetische Schicht ein Längs-Vormagne tisierungsfeld einwirkt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fertigungsverfahren für ein Spinventil-Magnetowiderstandselement ge schaffen, welches aufweist: Bilden einer Koerzitivkraft-Verstärkungs schicht, einer fixierten magnetischen Schicht, einer nicht magnetischen leitenden Schicht, einer freien magnetischen Schicht und einer Längs- Vormagnetisierungsschicht aus einem zweiten antiferromagnetischen Material auf einem Substrat; Magnetisieren der fixierten magnetischen Schicht bei Zimmertemperatur oder durch Glühen bei einer ersten Wär mebehandlungstemperatur im Beisein eines an die fixierte magnetische Schicht angelegten Magnetfelds, wobei die fixierte magnetische Schicht der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht benachbart ist und das Magnetfeld in einer Richtung rechtwinklig zu einer Spurbreiten-Richtung angelegt wird, damit die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht ver stärkt wird durch ein Austausch-Koppelmagnetfeld, um auf diese Weise die Richtung der Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht festzulegen; einen Schritt des Glühens der Längs-Vormagnetisierungs schicht in Beisein eines angelegten Magnetfelds, welches schwächer ist als Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht, und zwar in der Richtung der Spurbreite, um ein Längs-Vormagnetisierungsfeld durch ein unidirektionales Austausch-Koppelmagnetfeld zu erzeugen; und einen Schritt des Entfernens der antiferromagnetischen Schicht in einer Breite, die der Spurbreite entspricht.

Vorzugsweise erfolgt die Wärmebehandlung in Richtung der Spurbreite bei einer zweiten Wärmebehandlungstemperatur, die höher ist als die erste Wärmebehandlungstemperatur.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fertigungsver fahren für ein Spinventil-Magnetowiderstandselement angegeben, welches folgende Schritte enthält: Bilden einer Koerzitivkraft-Verstärkungs schicht, einer fixierten magnetischen Schicht, einer nicht magnetischen leitenden Schicht und einer freien magnetischen Schicht in kontinuierli cher Weise auf einem Substrat; Ausbilden einer ferromagnetischen Schicht auf der freien magnetischen Schicht mit einer dazwischenliegen den vorbestimmten Spurbreite, und weiterhin Ausbilden einer Längs- Vormagnetisierungsschicht aus einem zweiten antiferromagnetischen Material auf der ferromagnetischen Schicht; Durchführen einer Magneti sierung bei Zimmertemperatur oder bei Glühen mit einer ersten Tempe ratur unter Einwirkung eines Magnetfelds auf die fixierte magnetische Schicht, die der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht benachbart ist, in einer Richtung rechtwinklig zu der Spurbreite, um eine Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht zu steigern durch ein Austausch-Kop pelmagnetfeld, um so eine Magnetisierungsrichtung festzulegen; und Wärmebehandlung der antiferromagnetischen Schicht unter Einwirkung eines Magnetfelds, welches schwächer ist als Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht, in Spurbreiten-Richtung, um dadurch ein Längs- Vormagnetisierungsfeld durch ein unidirektionales Austausch-Koppelma gnetfeld zu erzeugen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fertigungsver fahren für ein Spinventil-Magnetowiderstandselement geschaffen, wel ches folgende Schritte beinhaltet: Auf einem Substrat wird ein Laminat mit einer einer Spurbreite entsprechenden Breite gebildet, bestehend aus einer Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, einer fixierten magnetischen Schicht, einer nicht magnetischen leitenden Schicht und einer freien magnetischen Schicht; Bilden von ferromagnetischen Schichten auf bei den Seiten des Laminats in Spurbreiten-Richtung, und außerdem Bilden einer Längs-Vormagnetisierungsschicht aus einem zweiten antiferroma gnetischen Material auf der ferromagnetischen Schicht; Ausführen einer Magnetisierung bei Zimmertemperatur oder durch Wärmebehandlung bei einer ersten Temperatur unter Einwirkung eines Magnetfelds auf die fixierte magnetische Schicht, die der Koerzitivkraft-Verstärkungschicht benachbart ist, und zwar in einer Richtung senkrecht zu der Spurbreite, um die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht durch ein Aus tausch-Koppelmagnetfeld zu verstärken und eine Magnetisierungsrichtung festzulegen; und Durchführen einer Wärmebehandlung unter Einwirkung eines Magnetfelds, welches kleiner ist als die Koerzitivkraft der Koerzi tivkraft-Verstärkungsschicht, auf die antiferromagnetische Schicht und die ferromagnetische Schicht, um dadurch aufgrund eines unidirektiona len Austausch-Koppelmagnetfelds ein Längs-Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausfüh rungsform eines Spinventil-Magnetowiderstandselements gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Spinventil- Magnetowiderstandselements bei Betrachtung von einer Seite gegenüber einem magnetischen Aufzeichnungsmedi um;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Dünnschicht-Magnet kopfs mit dem Spinventil-Magnetowiderstandselement gemäß der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die einen wesentlichen Abschnitt des in Fig. 3 gezeigten Dünnschicht-Magnetkopfs veranschau licht;

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Teils des in Fig. 3 gezeigten Dünnschicht-Magnetkopfs;

Fig. 6 zeigt eine Magnetisierungskurve einer antiferromagneti schen Schicht und einer fixierten magnetischen Schicht eines Mechanismus' zum Fixieren der Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht mit Hilfe unidirektionaler Anisotropie;

Fig. 7 zeigt eine Magnetisierungskurve einer Koerzitivkraft-Ver stärkungsschicht und einer fixierten magnetischen Schicht eines Mechanismus zum Festlegen der Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht durch Einsatz einer Koerzi tivkraft-Differenz;

Fig. 8 ist eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Spinventil-Magnetowi derstandselements;

Fig. 9 ist eine Schnittansicht des in Fig. 8 gezeigten Spinventil- Magnetowiderstandselements bei Betrachtung von einer Fläche gegenüber einem magnetischen Aufzeichnungsmedi um;

Fig. 10 ist eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spinventil-Magnetowiderstandselements bei Betrachtung von einer Fläche gegenüber einem magne tischen Aufzeichnungsmedium;

Fig. 11 ist eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spinventil-Magnetowiderstandselements bei Betrachtung von einer Fläche gegenüber einem magne tischen Aufzeichnungsmedium;

Fig. 12 zeigt die Änderungsrate des magnetischen Widerstands bei einem Spinventil-Magnetowiderstandselements, welches eine Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht aus polykristalli nem α-Fe₂O₃ gemäß einer Ausführungsform aufweist;

Fig. 13 zeigt eine Änderungsrate des magnetischen Widerstands eines Magnetowiderstandselements mit einer Koerzitivkraft- Verstärkungsschicht aus einkristallinem α-Fe₂O₃ gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 14 zeigt eine Änderungsrate des magnetischen Widerstands bei einem Spinventil-Magnetowiderstandselement, welches eine Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht aus polykristallinem α- Fe₂O₃ gemäß einem Vergleichsbeispiel verwendet;

Fig. 15 zeigt die Änderungsrate des magnetischen Widerstands bei einem Spinventil-Magnetowiderstandselement, welches eine Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht aus einem polykristalli nen α-Fe₂O₃ gemäß einem weiteren Vergleichsbeispiel verwendet;

Fig. 16 ist eine Schnittansicht eines ersten Beispiels für ein her kömmliches Spinventil-Magnetowiderstandselement;

Fig. 17 ist eine Schnittansicht eines zweiten Beispiels eines kon ventionellen Spinventil-Magnetowiderstandselements;

Fig. 18 ist eine Schnittansicht einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spinventil-Magnetowiderstandselements bei Betrachtung von einer Seite gegenüber einem magneti schen Aufzeichnungsmedium.

Anhand der Zeichnungen sollen nun Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert werden.

Fig. 1 und 2 sind Schnittansichten eines Beispiels für ein Spinventil- Magnetowiderstandselement an einem Dünnschicht-Magnetkopf einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Struktur, die z. B. in einem fliegenden oder schwim menden Dünnschicht-Magnetkopf eingesetzt wird, wie er in Fig. 3-5 dargestellt ist. Ein Dünnschicht-Magnetkopf 180 gemäß diesem Beispiel ist in einem Festplattenlaufwerk oder dergleichen angeordnet.

In einem Gleitstück 151 des Dünnschicht-Magnetkopfs 150 gemäß die sem Beispiel ist ein mit dem Bezugszeichen 155 in Fig. 3 bezeichnetes Ende ein vorlaufendes Ende, welches einer stromaufwärtigen Seite in Bewegungsrichtung einer Plattenoberfläche zugewandt ist, während das Ende 156 ein nachlaufendes Ende ist, welches einer stromabwärtigen Seite zugewandt ist. Eine einer Magnetplatte zugewandte Fläche des Gleitstücks 151 besitzt schienenförmige Luftlagerflächen (ABS-Flächen (Air Bearing Surfaces) oder Gleitflächen eines Schienenteils) 151a, 151a und 151b und Luftnuten 159c. Das Gleitstück 151 gemäß diesem Beispiel besteht aus einem Keramikwerkstoff, beispielsweise Al₂O₃-Tic (Handels bezeichnung: AlTic).

Ein Magnetkern 157 befindet sich an einer Stirnfläche 151d am nachlau fenden Ende des Gleitstücks 151.

Der Magnetkern 157 des Dünnschicht-Magnetkopfs gemäß diesem Bei spiel ist ein Verbundmagnetkern, dessen Schnittbild in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Ein Lesekopf h1 oder ein GMR-Kopf (Giant Magnetore sistive Heat) unter Verwendung eines Spinventil-Magnetowiderstands elements, und ein Schreibkopf h2 oder ein induktiver Kopf, sind überein andergestapelt an der nachlaufenden Stirnfläche 151d des Gleitstücks 151 angeordnet.

Der GMR-Kopf h1 dieses Beispiels besitzt eine untere Spaltschicht 164, bestehend aus einem Isolator, wie z. B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), nieder geschlagen auf einer unteren Abschirmschicht 163 aus einer magneti schen Legierung, die ihrerseits auf einer Schutzschicht 162 aus Isolier material, beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) niedergeschlagen ist, welche sich an dem nachlaufenden Endabschnitt des Gleitstücks 151 befindet.

Außerdem befindet sich auf der unteren Spaltschicht 164 ein Spinventil- Magnetowiderstandselement GMR1. Auf dem Magnetowiderstandsele ment GMR1 ist die obere Spaltschicht 166 gebildet, auf der unteren Spaltschicht 164 ist eine obere Abschirmungsschicht 167 ausgebildet. Diese dient auch als untere Kernschicht des induktiven Kopfs h2, der darüber liegt.

In dem induktiven Kopf h2 ist auf der unteren Kernschicht, die auch als die obere Abschirmungsschicht 167 fungiert, eine Spaltschicht 174 ausge bildet. Darauf ist mit einem Schraubenmuster flach eine Spule 176 aus gebildet, die von einer Isolierschicht 177 umgeben ist. Eine obere Kern schicht 174 befindet sich auf der Isolierschicht 177, so daß ein freier Endabschnitt 178a der oberen Kernschicht der unteren Kernschicht 167 an der ABS-Fläche 171 mit einem extrem schmalen Spalt dazwischen gegenüberliegt, und ein freies Ende 178b der oberen Kernschicht magne tisch mit der unteren Kernschicht 167 gekoppelt ist.

Eine aus Aluminiumoxid oder dergleichen bestehende Schutzschicht 179 befindet sich auf der oberen Kernschicht 178.

Der GMR-Kopf h1 mit dem oben erläuterten Aufbau liest eine Änderung des Widerstands des Magnetowiderstandselements GMR1, die verursacht wird durch das Vorhandensein oder Fehlen eines extrem schwachen magnetischen Rand- oder Streuflusses aus einem magnetischen Aufzeich nungsmedium, z. B. einer Platte eines Festplattenlaufwerks, um dadurch die auf dem magnetischen Aufzeichnungsträger aufgezeichnete Informa tion zu lesen.

In dem die obere Struktur aufweisenden induktiven Kopf h2 wird in die Spule 176 ein Aufzeichnungsstrom eingespeist, und von der Spule 176 wird an die Kernschicht ein Aufzeichnungsstrom gelegt. Der induktive Kopf h2 zeichnet magnetische Signale auf einem magnetischen Aufzeich nungsträger, z. B. eine Festplatte, mit Hilfe eines Magnetfelds auf, welches aus freien Endabschnitten der unteren Kernschicht 167 und der oberen Kernschicht 178 eines Magnetspalts G ausstreut.

Dies vervollständigt die Beschreibung des Gesamtaufbaus des Dünn schicht-Magnetkopfs 150. Das Magnetowiderstandselement GMR1, das eine wesentlichen Abschnitt der Erfindung bildet, wird im nachfolgenden anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.

Ein magnetischer Aufzeichnungsträger, z. B. eine Festplatte, bewegt sich in Richtung Z gemäß Fig. 1 und 2, wobei aus dem magnetischen Auf zeichnungsträger in Richtung Y gemäß Fig. 1 und 2 ein Magnetfeld ausstreut.

Bei dem Aufbau nach diese Ausführungsform wird das Spinventil-Ma gnetowiderstandselement GMR1 an der oberen Spaltschicht 164 über dem Gleitstück 151 gebildet.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetowiderstandselements. Die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1, die fixierte Magnetschicht, die nicht magnetische leitende Schicht 3, die freie magnetische Schicht 4 und die Schutzschicht 5 sind auf der unteren Spaltschicht 164 in diese Reihenfolge mit einer Breite niedergeschlagen, die der Spurbreite Tw in etwa entspricht, um ein Laminat 6 zu bilden, dessen Querschnittsform einem gleichschenkligen Trapez entspricht. Harte Vormagnetisierungsschichten 7 sind aus hartmagnetischem Mate rial in der Art geformt, daß sie in Berührung mit den Schrägflächen an beiden Seiten in Spurbreitenrichtung des Laminats 6 stehen. Eine Strom führungsschicht 8 befindet sich auf den Vormagnetisierungsschichten 7. Bei diesem Aufbau ist die fixierte magnetische Schicht aufgetrennt in eine erste fixierte magnetische Teilschicht 11 benachbart zu der Koerzi tivkraft-Verstärkungsschicht 1 und eine zweite fixierte magnetische Teil schicht 12 benachbart zu der nicht magnetischen leitenden Schicht 3, wobei zwischen diesen Teilschichten eine nicht magnetische Zwischen schicht 10 liegt. Außerdem ist bei diesem Aufbau die freie magnetische Schicht 4 durch eine erste freie Schicht 13 benachbart zu der nicht ma gnetischen leitenden Schicht 3 und eine zweite freie Schicht 14 gebildet.

Die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 erhöht eine Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht 2, indem sie ein Austausch-Koppelma gnetfeld an die fixierte Magnetschicht 2 auf der Koerzitivkraft-Verstär kungsschicht 1 legt, um dadurch eine Magnetisierungsrichtung der fixier ten magnetischen Schicht 2 festzulegen. Vorzugsweise besteht die Koer zitivkraft-Verstärkungsschicht 1 aus einem antiferromagnetischen Materi al. einem antiferromagnetischen Oxid insbesondere. Spezifische Beispiele beinhalten α-Fe₂O₃, NiO und CoO, wobei das α-Fe₂O₃ am meisten be vorzugt ist.

Die erste fixierte magnetische Teilschicht 11 und die zweite fixierte Teilschicht 12 bestehen z. B. aus Co, einer NiFe-Legiening, einer Co- NiFe-Legierung oder CoFe-Legierung.

Vorzugsweise besteht die nicht magnetische Zwischenschicht 10 zwi schen der ersten und der zweiten Teilschicht 11 und 12 nach Fig. 1 und 2 aus einer Legierung aus einem oder zwei oder mehr der folgenden Elemente: Ru, Rh, Ir, Cr, Re und Cu.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, besteht die freie magnetische Schicht 4 aus zwei Teilschichten, nämlich der ersten freien Schicht 13 in Berüh rung mit der nicht magnetischen leitenden Schicht 3 in Form eines Co- Films und der zweiten freien Schicht 14 aus einer NiFe-Legiening, einer CoFe-Legierung, eine CoNiFe-Legierung oder dergleichen. Die erste, als Co-Film ausgebildete freie Schicht 13 befindet sich auf der Seite, die in Berührung mit der nicht magnetischen leitenden Schicht 3 steht, da die Diffusion von Metallelementen oder dergleichen an der Grenze bezüglich der nicht magnetischen leitenden Schicht 3, die aus Cu besteht, verhin dert werden kann, und außerdem eine Widerstandsänderungsrate, hier mit ΔMR bezeichnet, gesteigert werden kann.

Ergänzend zu dem oben gesagten sei angemerkt, daß bei einem Mecha nismus zur Erzeugung des Riesen-Magnetoresistenzeffekts bei einer Struktur, in der die nicht magnetische leitende Schicht 2 sandwichartig zwischen der ferromagnetischen fixierten magnetischen Schicht 2 und der freien magnetischen Schicht 4 eingeschlossen ist, ein stärkerer Effekt der spinabhängigen Streuung von Leitungselektronen an der Grenze von Co und Cu erwartet werden kann. Darüber hinaus führt die Ausbildung der fixierten magnetischen Schicht 2 und der freien magnetischen Schicht 4 mit ein und demselben Materialtyp zu einer geringeren Wahrscheinlich keit der Entstehung eines anderen Faktors als der spinabhängigen Streu ung von Leitungselektronen, verglichen mit einer Struktur, die zwei verschiedene Materialtypen verwendet. Somit läßt sich ein stärkerer Magnetowiderstandseffekt erwarten. Aus diesen Gründen ist es, falls die zweite magnetische Teilschicht 12 aus Co gebildet ist, zu bevorzugen, die erste freie Schicht 13, die der nicht magnetischen leitenden Schicht 3 in der freien Magnetschicht 4 benachbart ist, durch eine Co-Schicht vorbestimmter Dicke zu bilden. Alternativ kann man, anstatt bei dieser Ausführungsform die Co-Schicht separat vorzusehen, die freie magne tische Schicht 4 als Einzelschicht aus einer Legierung bilden, die einen Konzentrationsgradienten aufweist, gemäß dem ein Teil der Schicht in der Nachbarschaft der nicht magnetischen leitenden Schicht 3 eine höhere Co-Konzentration aufweist und die Konzentration von Co allmählich in Richtung der Schutzschicht 5 abnimmt.

Vorzugsweise ist die Schutzschicht 5 aus Metall, beispielsweise Ta gebil det, welche eine hohe Temperaturstabilität und außerdem eine hohe Beständigkeit gegenüber Oxidieren aufweist.

Die hartmagnetischen Vormagnetisierungsschichten 7 gemäß Fig. 2 bestehen aus einem hartmagnetischen Material, beispielsweise einer Co- Pt-Legierung oder Co-Cr-Pt-Legierung. Die stromführenden Schichten 8 bestehen aus einem leitenden Werkstoff, z. B. Au, Ta, W, Cr etc. Die harten Vormagnetisierungsschichten 7 haben die Aufgabe, ein Vormagne tisierungsfeld an die freie Magnetschicht 4 zu legen, um deren Magneti sierung in Richtung X1 zu orientieren, wie sie durch einen Pfeil in Fig. 2 angedeutet ist, und dadurch die freie magnetische Schicht 4 in einen Einzeldomänenzustand zu bringen. Die in Verbindung mit der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 11 und der zweiten fixierten magneti schen Teilschicht 12 nach Fig. 1 dargestellten Pfeile repräsentieren Be träge und Richtungen von magnetischen Momenten der jeweiligen Schichten. Die Beträge der magnetischen Momente bestimmen sich durch einen Wert, den man erhält, indem man die Sättigungsmagnetisierung (Ms) mit der Schichtdicke (t) multipliziert.

Die erste fixierte magnetische Teilschicht 11 und die zweite fixierte magnetische Teilschicht 12 nach Fig. 2 bestehen aus demselben Material, beispielsweise einem Co-Film bei einer Schichtdicke von tP₂ der zweiten Teilschicht 12, die größer ist als die Schichtdicke tP₁ der ersten Teil schicht 11, so daß die zweite Teilschicht 12 ein höheres magnetisches Moment als die erste fixierte magnetische Teilschicht 11 besitzt.

Bei dieser Ausführungsform müssen die erste und die zweite magnetische Teilschicht 11 und 12 verschiedene magnetische Momente besitzen. Folglich kann die Schichtdicke tP₁ der ersten Teilschicht 11 größer sein als die Schichtdicke tP₂ der zweiten Teilschicht 12.

Basierend auf dem oben gesagten beträgt vorzugsweise die Dicke der ersten fixierten Teilschicht 11 l bis 7 nm, die Dicke der zweiten Teil schicht 12 zwischen 1 und 7 nm, wobei die Differenz der Schichtdicke etwa 0,2 nm oder mehr beträgt. Die Dicke der nicht magnetischen Zwi schenschicht 10 reicht vorzugsweise von 0,5 bis 1 nm.

Wenn die Dicke der ersten fixierten magnetischen Teilschicht und der zweiten Teilschicht 12 die oben angegebenen Bereiche übersteigt, erhö hen sich die Nebenschlüsse von Leitungselektronen, die keinen Beitrag zu dem Magnetowiderstandseffekt leisten, was die Widerstands änderungsrate in unerwünschter Weise senkt. Wenn die Dicke weniger beträgt als die Werte in jenen Bereichen, so ergibt sich ein zu hoher Elementenwiderstand, und die Widerstandsänderungsrate sinkt beträcht lich.

Noch einmal auf Fig. 2 bezugnehmend, wurde die erste fixierte magne tische Teilschicht 11 in Y-Richtung weg von einem Aufzeichnungsträger magnetisiert (in Richtung der Bauelementhöhe oder in Höhenrichtung). Die zweite fixierte magnetische Teilschicht 12, die der ersten Teilschicht 11 über die nicht magnetische Zwischenschicht 10 gegenübersteht, wurde antiparallel (in einem ferrimagnetischen Zustand) relativ zu der Magneti sierungsrichtung der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 11 magne tisiert.

Die erste fixierte magnetische Teilschicht 11 steht in Berührung mit der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1, wobei ihre Magnetisierungsrich tung in Richtung Y festgelegt wurde durch ein Austausch-Koppelmagnet feld, das durch die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 ausgeübt wurde. Darüber hinaus steigern ein von der ersten Teilschicht 11 erzeugtes Austausch-Koppelmagnetfeld und ein von der zweiten Teilschicht 12 erzeugtes Austausch-Koppelmagnetfeld, deren gemeinsame Wirkung als "RKKY-Interaktion" bekannt ist, die Koerzitivkraft der zweiten Teil schicht 12 so, daß letztere ein stärkeres magnetisches Moment besitzt. Auf diese Weise wird als Ergebnis der Magnetisierung oder der Wärme behandlung in einem Magnetfeld die Orientierung der Magnetisierung der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht 12 in eine Richtung fi xiert, die gegenüber der Richtung Y in Fig. 1 um 180° verschoben ist.

Wenn das Austausch-Koppelmagnetfeld stärker wird, können die Magne tisierung der ersten Teilschicht 11 und die Magnetisierung der zweiten Teilschicht 12 in einem weiterhin stabilen antiparallelen Ausrichtungs zustand gehalten werden. Diese Ausführungsform verwendet α-Fe₂O₃, welches eine hohe Sperrtemperatur besitzt, für die Koerzitivkraft-Ver stärkungsschicht 1, so daß die magnetisierten Zustände der ersten Teil schicht 11 und der zweiten Teilschicht 12 ebenfalls thermisch stabil gehalten werden können. Die Erfinder haben in der japanischen unge prüften Patentveröffentlichung 10-112562 offenbart, daß die Koerzitiv kraft-Verstärkungsschicht einen erheblichen Wärmewiderstand besitzt, wenn sie aus α-Fe₂O₃ besteht. Das α-Fe₂O₃-Material besitzt eine Neel- Temperatur von 667°C und eine Sperrtemperatur von 320°C, was deut lich macht, daß dieses Material eine weit höhere Wärmebeständigkeit besitzt als andere antiferromagnetische Stoffe wie z. B. FeMn, welches eine Sperrtemperatur von 150°C hat, oder NiO, welches eine Sperrtem peratur von 230°C besitzt.

Üblicherweise wurde eine antiferromagnetische Schicht, die von der unidirektionalen Anistropie eines antiferromagnetischen Materials Ge brauch machte, zum Fixieren der Magnetisierung der fixierten Magnet schicht 2 verwendet. Spezielle Beispiele beinhalten eine Fe-Mn-Legie rungsschicht, eine Legierungsschicht aus Ni-Mn und eine Legierungs schicht aus Fe-Pt-Mn.

Die Legierungen mit einer solchen unidirektionalen Anisotropie zeigen eine MH-Kurve mit einer Hysterese, die in vertikaler Richtung langge streckt ist, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Die unidirektionale Anisotropie, repräsentiert dadurch, daß die Mitte der Hystereseschleife gegenüber einer Position eines Magnetfelds Null auf der Abszisse verschoben ist, dient zur Fixierung der Magnetisierung der fixierten Magnetschicht.

Im Gegensatz zu der obigen MH-Kurve besitzt eine MH-Schleife, die durch ein Laminat gebildet wird, dessen Koerzitivkraft-Verstärkungs schicht 1 und dessen fixierte magnetische Schicht von einer Differenz der Koerzitivkraft Gebrauch machen, und die erfindungsgemäß eingesetzt wird, eine quadratische, in seitlicher Richtung symmetrisch aufgespreizte Form, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Der unter Verwendung der unidirek tionalen Anisotropie gemäß Fig. 6 erreichte Fixiermechanismus (Pinning) ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung unverändert bleibt, wenn nicht das Austausch-Koppelmagnetfeld (Hex) überschritten wird. Bei einem Fixiermechanismus unter Verwendung einer starken Koerzitiv kraft gemäß Fig. 7 bleibt die Magnetisierung solange konstant, wie das Magnetfeld sich innerhalb des Bereichs der Koerzitivkraft befindet. In beiden Fällen nach Fig. 6 und 7 läßt sich eine Aufwärtsmagnetisierung (↑) beispielsweise gemäß den Pfeilen in den Fig. 6 und 7 erreicht. In jedem Fall läßt sich eine Fixierkraft oder Haltkraft (pinning force) für die fixierte magnetische Schicht erzielen.

Nunmehr auf die MH-Kurven in den Fig. 6 und 7 bezugnehmend, unter stützen diese das Verständnis des Unterschieds zwischen dem konventio nellen Magnetisierungsmechanismus unter Ausnutzung der unidirektiona len Anisotropie eines antiferromagnetischen Materials zum Fixieren der Magnetisierung der fixierten Magnetschicht einerseits und dem Magneti sierungsmechanismus gemäß der Erfindung unter Einsatz der Koerzitiv kraft-Verstärkungsschicht, andererseits.

Die vorliegende Ausführungsform macht also Gebrauch von einem Schichtdickenverhältnis zwischen der ersten fixierten magnetischen Teil schicht 11 und der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht 12, wel ches auf einen Wert innerhalb eines geeigneten Bereichs eingestellt wird, ferner von der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1, die aus einem anti ferromagnetischen Oxidmaterial besteht, beispielsweise α-Fe₂O₃, damit die Koerzitivkraft (Hcp) basierend auf dem Austausch-Koppelmagnetfeld gesteigert wird. Diese Anordnung macht es möglich, die Magnetisierung der ersten und der zweiten fixierten Teilschicht 11 und 12 in einer ther misch stabilen antiparallelen Ausrichtung oder einem ferrimagnetischen Zustand zu halten.

Die Stärke oder der Betrag der Koerzitivkraft (Hcp), die auf einem Austausch-Koppelmagnetfeld beruht, wobei es sich um die Kraft handelt, die die aus α-Fe₂O₃ bestehende Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 dazu benutzt, die Magnetisierung der fixierten Magnetschicht 2 zu fixieren, die aus dem ersten Teilschicht 11 und der zweiten Teilschicht 12 besteht, hängt ab von einem resultierenden Moment magnetischer Momente der beiden fixierten magnetischen Schichten 11 und 12; dies deshalb, weil die Orientierungen der Magnetisierungen der ersten Teilschicht 11 und der zweiten Teilschicht 12 antiparallel sind.

Genauer gesagt: bekanntlich gibt es eine Beziehung in der Form Hcp = EI(Ms × t), wobei E die Energie (eine Konstante), Ms eine Sättigungs magnetisierung der gesamten fixierten Magnetschicht und t eine Dicke der gesamten fixierten Magnetschicht ist. Ein Wert Ms × t der gesamten fixierten Magnetschicht muß also verringert werden, wenn man den Wert der Koerzitivkraft (Hcp) basierend auf der Austauschkopplung steigern will.

Erneut auf die Struktur der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform bezug nehmend, ist das magnetische Moment (Ms × tP₂) der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht 12 größer als das magnetische Moment (Ms) × tP₁ der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 11. Deshalb erhält man ein resultierendes magnetisches Moment in der Form (Ms × tP₂) - (Ms × tP₁). Die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 vollzieht eine Festlegung entgegen dem resultierenden magnetischen Moment, so daß die Aus tauschkopplung effizienter eingesetzt werden kann als dann, wenn die fixierte magnetische Schicht als Einzelschicht ausgebildet ist. Möglich wird also die Erzielung einer stärkeren Koerzitivkraft basierend auf der Austauschkopplung. Folglich bietet der Aufbau der ersten Ausführungs form nach den Fig. 1 und 2 den Vorteil, daß man eine viel stärkere Fixierkraft erhalten kann als bei einer Struktur, in der die fixierte Ma gnetschicht 2 eine Einzelschichtstruktur ist. Genauer gesagt: die fixierte Magnetschicht 2 kann eine extrem hohe Koerzitivkraft Hcp liefern, und zwar von 2000 bis 5000 Oe, wie im Zuge der Diskussion eines Aus führungsbeispiels unten noch verdeutlicht wird.

Die Koerzitivkraft Hcp der fixierten Magnetschicht 2 bedeutet die durch die fixierte Magnetschicht 2 zum Ausdruck gebrachte Koerzitivkraft, welche durch die Austauschkopplung der Koerzitivkraft-Verstärkungs schicht 1 erhöht wurde. Dies bedeutet, daß die Magnetisierung der fi xierten magnetischen Schicht 2, die festgelegt wurde, sich nicht ändert, wenn nicht ein äußeres Magnetfeld einwirkt, welches stärker ist als die Koerzitivkraft. Daher ist ersichtlich, daß die Fixierkraft zum Fixieren der Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht 2 keineswegs beeinflußt wird durch einen Streu-Induktionsfluß aus einem magnetischen Aufzeichnungsmedium oder durch ein magnetisches Feld, welches von der harten Vormagnetisierungsschicht 7 erzeugt wird.

Wenn in dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Aufbau ein magnetischer Streu fluß von einem magnetischen Aufzeichnungsträger einwirkt und eine Lesestrom durch das Element fließt, wird die Orientierung der Magneti sierung der fixierten magnetischen Schicht 2 durch die Koerzitivkraft fixiert, die von der magnetischen Austauschkopplung aufgrund des Vor handensein der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 erhöht wurde, und die Orientierung der Magnetisierung der freien Magnetschicht 4 ist in einem der Spurbreite Tw entsprechenden Bereich frei. Im Ergebnis läßt sich der Riesen-Magnetowiderstandseffekt erzielen. Genauer: wenn ein äußeres Magnetfeld, so z. B. ein Streu-Magnetfeld von einem magneti schen Aufzeichnungsträger, auf die freie magnetische Schicht 4 ausgeübt wird, in welcher die Drehung der Magnetisierung frei ist, so dreht sich die Orientierung der Magnetisierung der freien magnetischen Schicht 4 ungehindert, wohingegen die Richtungen der Magnetisierungen der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 11 und der zweiten fixierten magneti schen Teilschicht 12 unverändert bleiben. Wenn sich daher die Magneti sierung der freien magnetischen Schicht dreht, findet eine Widerstands änderung in dem Spinventil-Magnetowiderstandselement GMR1 statt. Durch Messen der Widerstandsänderung läßt sich magnetische Informa tion von einem magnetischen Aufzeichnungsträger lesen.

Wenn sich der Widerstand ändert, wird eine Längs-Vormagnetisierung durch die harte Vormagnetisierungsschicht 7 auf die freie Magnetschicht 4 ausgeübt, um die Schicht 4 in einen Einzeldomänenzustand auszurich ten und dadurch die magnetische Domänenstruktur zu stabilisieren. Dies ermöglicht glatte Übergänge im Widerstand frei von Barkhausen-Rau schen.

Im folgenden wird ein Lesestrom-Magnetfilm in dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Bauelementaufbau erläutert.

In dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Magnetowiderstandselement ist die zweite fixierte magnetische Teilschicht 12 unterhalb der nicht magneti schen leitenden Schicht 3 ausgebildet. In diesem Fall wird eine Richtung eines Lesestrom-Magnetfelds in eine Magnetisierungsrichtung der ersten fixierten Teilschicht 11 oder der zweiten fixierten Teilschicht 12 einge stellt, abhängig davon, welche Schicht das stärkere magnetische Moment besitzt.

Erneut auf Fig. 1 bezugnehmend, ist das magnetische Moment der zwei ten fixierten magnetischen Teilschicht 12 stärker als dasjenige der ersten Teilschicht 11, und das magnetische Moment der zweiten fixierten ma gnetischen Teilschicht 12 ist entgegen der Richtung Y, oder nach links in der Zeichnung orientiert. Dementsprechend ist ein resultierendes magne tisches Moment als Summe des magnetischen Moments der ersten Teil schicht 11 und des magnetischen Moments der zweiten Teilschicht in einer Richtung entgegen der Richtung Y orientiert, also in der Zeich nungsfigur nach links.

Wie oben ausgeführt, ist die nicht magnetische leitende Schicht 3 über der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht 12 und der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 11 ausgebildet. Ein Lesestrom-Magnetfeld, das durch einen Lesestrom 112 gebildet wird, welcher durch die nicht ma gnetische leitende Schicht 3 fließt, läßt sich also steuern, indem man die Richtung steuert, in der der Lesestrom 112 fließt, so daß das Lesestrom- Magnetfeld in der Zeichnung in Schichten unterhalb der nicht magneti schen leitenden Schicht 3 nach links orientiert ist. Hierdurch stimmt die Richtung des resultierenden magnetischen Moments aus dem magneti schen Moment der ersten Teilschicht 11 und demjenigen der zweiten Teilschicht 12 überein mit der Richtung des Lesestrommagnetfelds.

Der Lesestrom 112 fließt in Richtung X1 der Zeichnung nach Fig. 1. Nach der Rechte-Hand-Regel bildet sich das Lesestrom-Magnetfeld auf grund des fließenden Lesestroms im Uhrzeigersinn auf der Zeichnungs ebene aus, in Fig. 1 durch den Pfeil angedeutet. Folglich werden die Schichten unterhalb der nicht magnetischen leitenden Schicht 3 einem Lesestrom-Magnetfeld in der dargestellten Richtung ausgesetzt, nämlich in der der Richtung Y entgegengesetzten Richtung. Das Lesestrom-Ma gnetfeld wird in einer Richtung angelegt, in der es das resultierende magnetische Moment der fixierten magnetischen Schicht 2 verstärkt, demzufolge das Austausch-Koppelmagnetfeld oder die RKKY-Interaktion zwischen der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 11 und der zwei ten fixierten mägnetischen Teilschicht 12 verstärkt wird. Dies ermög licht, die thermische Stabilität der antiparallelen Ausrichtung der Magne tisierung in der ersten Teilschicht 11 und der zweiten Teilschicht 12 zu verbessern.

Es wurde herausgefunden, daß, wenn ein Lesestrom von 1 mA fließt, ein Lesestrom-Magnetfeld von etwa 30 Oe erzeugt wird und die Temperatur des Elements um etwa 10°C ansteigt. Außerdem erhöht sich die Anzahl der Umdrehungen eines Aufzeichnungsträgers um etwa 10000 upm. Die Zunahme der Drehzahl bewirkt eine Temperaturerhöhung des Geräts um etwa 100°C. Wenn ein Lesestrom von etwa 10 mA fließt, so steigt die Temperatur des Dünnschicht-Magnetelements leicht auf etwa 200°C an, und außerdem steigt das Lesestrom-Magnetfeld ebenfalls auf 300 Oe an.

Wenn ein starker Lesestrom bei einer derart hohen Umgebungstempera tur fließt und die Richtung des resultierenden magnetischen Moments, erhalten durch Summieren des magnetischen Moments der ersten Teil schicht 11 und des magnetischen Moments der zweiten Teilschicht 12, entgegengesetzt ist der Richtung des Lesestrom-Magnetfelds, so lassen sich die antiparallelen Ausrichtungen der Magnetisierung der ersten Teilschicht 11 und der Magnetisierung der zweiten Teilschicht 12 leicht stören.

Damit die antiparallele Ausrichtung auch bei hoher Umgebungstempera tur Bestand hat, ist es notwendig, von einem Material für die Koerzitiv kraft-Verstärkungsschicht 1 Gebrauch zu machen, welches eine hohe Sperrtemperatur besitzt, zusätzlich zu der Steuerung der Richtung eines Lesestrom-Magnetfelds. Aus diesem Grund verwendet die vorliegende Ausführungsform α-Fe₂O₃, welches eine Sperrtemperatur von etwa 320°C besitzt.

Wenn das resultierende magnetische Moment aufgrund des magnetischen Moments der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 11 und desjenigen der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht 12 gemäß Fig. 1 nach rechts orientiert ist, d. h. entgegen der in der Zeichnung angegebenen Richtung (in Richtung Y der Zeichnung orientiert ist), so wird der Lese strom in einer Richtung entgegen der Richtung X1 der Zeichnung ge führt, so daß das Lesestrom-Magnetfeld relativ zur Zeichnungsebene im Gegenuhrzeigersinn verläuft.

Wenn von einer Magnetkopfstruktur Gebrauch gemacht wird, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, bei der eine Isolierschicht ein Magnetowiderstands element GMR1 umgibt, so wird bevorzugt, wenn das Magnetowider standselement GMR1 so dünn wie möglich ist. Üblicherweise wird der Dünnschicht-Magnetkopf 150 so augelegt, daß die Isolierschicht eine gewisse Dicke haben kann, um zufriedenstellende Isoliereigenschaften zu garantieren. In dem Magnetowiderstandselement GMR1 lassen sich die Isoliereigenschaften dadurch verbessern, daß man einen Isolator in Form des α-Fe₂O₃ für die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 verwendet, welche den Hauptanteil der Dicke des Magnetowiderstandselements GMR1 ausmacht. Als Ergebnis der verbesserten Isoliereigenschaften durch Ausbildung der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 durch das isolierende α-Fe₂O₃ werden die Anforderungen bezüglich der Isolier eigenschaften der das Magnetowiderstandselement GMR1 umgebenden Isolierschicht gemildert. Indem man die Isolierschicht, z. B. eine Spalt schicht, dünner macht, als es bislang üblich war, kann man eine höhere Auflösung beim Lesevorgang durch den Dünnschicht-Magnetkopf erzie len, so daß der Magnetkopf dem Wunsch einer höheren Spuraufzeich nungsdichte entgegenkommt.

Fig. 8 ist eine schematische Schnittansicht des Aufbaus eines Spinventil- Magnetowiderstandselements nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die schematisch einen Aufbau des Magnetowiderstandselements nach Fig. 8 wiedergibt, betrachtet von einer Fläche, die dem magnetischen Aufzeichnungsträger gegenüberliegt.

Wie im Fall des Magnetowiderstandselements nach den Fig. 1 und 2 ist auch das Spinventil-Magnetowiderstandselement GMR2 nach dieser Ausführungsform an dem nachlaufenden Endbereich eines Gleitstücks in einem Festplattenlaufwerk vorgesehen, um ein Aufzeichnungsmagnetfeld einer Festplatte oder dergleichen zu erfassen. Ein magnetischer Aufzeich nungsträger, z. B. eine Festplatte bewegt sich in der Zeichnungsebenen- Richtung Z, wobei die Richtung eines aus dem magnetischen Aufzeich nungsträger streuenden Magnetfelds mit Y bezeichnet ist. In dem Magne towiderstandselement GMR2 der zweiten Ausführungsform ist eine freie magnetische Schicht sowie eine fixierte magnetische Schicht in zwei Teilschicht aufgetrennt, nämlich eine erste freie magnetische Schicht und eine zweite freie magnetische Schicht, wobei sich dazwischen eine nicht magnetische Zwischenschicht befindet.

Bei dem in den Fig. 8 und 9 gezeigten Aufbau sind gleiche und ähnliche Elemente wie bei dem Aufbau der ersten Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen, eine Wiederholung der detaillierten Beschreibung dieser Teile entfällt.

Der Aufbau der zweiten Ausführungsform ist der gleiche wie der der ersten Ausführungsform insofern, als eine erste fixierte magnetische Teilschicht 11, eine nicht magnetische Zwischenschicht 10, eine zweite fixierte magnetische Teilschicht 12 und eine nicht magnetische leitende Schicht 3 in dieser Reihenfolge auf einer Koerzitivkraft-Verstärkungs schicht 1 niedergeschlagen sind. Allerdings sind bei dieser zweiten Aus führungsform eine erste freie magnetische Schicht 20, eine nicht magne tische Zwischenschicht 21, eine zweite freie magnetische Schicht 22 und eine Schutzschicht 5 auf der nicht magnetischen leitenden Schicht 3 niedergeschlagen, um ein Laminat 9 zu bilden. Die für diese Schichten verwendeten Materialien können die gleichen wie bei der ersten Aus führungsform sein.

Die erste fixierte magnetische Teilschicht 11 und die zweite fixierte magnetische Teilschicht 12 werden gebildet aus einem Co-Film, einer NiFe-Legierung, einer CoFe-Legierung, einer CoNiFe-Legierung oder dergleichen. Vorzugsweise ist die nicht magnetische Zwischenschicht 10 aus einer Legierung oder einem Element oder aus zwei oder mehr Ele menten folgender Gruppe gebildet: Ru, Rh, Ir, Cr, Re und Cu. Die nicht magnetische leitende Schicht 3 besteht aus Cu, Cr oder dergleichen.

Bei dieser Ausführungsform ist die nicht magnetische Zwischenschicht 21 zwischen der ersten freien magnetischen Schicht 20 und der zweiten freien magnetischen Schicht 22 vorzugsweise aus einer Legierung aus einem oder zwei oder mehr der folgenden Elemente gebildet: Ru, Rh, Ir, Cr, Re und Cu.

Die Magnetisierung der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 11 und die Magnetisierung der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht 12 entspricht einem ferrimagnetischen Zustand, also antiparallel. Beispiels weise ist die Magnetisierung der ersten Teilschicht 11 in Richtung Y magnetisiert, während die zweite Teilschicht 12 entgegen der Richtung Y magnetisiert ist. Um die Stabilität des ferrimagnetischen Zustands zu erhalten, ist ein starkes Austausch-Koppelmagnetfeld erforderlich. Bei dieser Ausführungsform sind verschiedene, unten erläuterte Maßnahmen getroffen, um ein solches stärkeres Austausch-Koppelmagnetfeld zu erreichen.

Die erste freie Magnetschicht 20 ist auf der in den Fig. 8 und 9 gezeigten nicht magnetischen leitenden Schicht 3 gebildet. Wie in Fig. 8 und 9 gezeigt, besteht die erste frei magnetische Schicht 20 aus zwei Schichten, nämlich einer ersten freien Schicht 27 aus Co in Berührung mit der nicht magnetischen Schicht 3, wobei die erste freie Schicht 27 aus Co in Berührung mit der nicht magnetischen leitenden Schicht 2 ermöglicht, den Wert für ΔMR zu steigern, und wobei außerdem eine Diffusion der Elemente an der Grenze bezüglich der nicht magnetischen leitenden Schicht 3 unterbunden wird.

Eine zweite freie Schicht 28 aus einer NiFe-Legierung oder dergleichen ist auf der ersten freien Schicht 27 gebildet. Außerdem ist eine nicht magnetische Zwischenschicht 21 auf der zweiten freien Schicht 22 gebil det, wobei die zweite freie Schicht 22 auf der nicht magnetischen Zwi schenschicht 21 gebildet ist, und die Schutzschicht 50 auf der zweiten freien Schicht 22 beindet.

Die zweite freie magnetische Schicht 22 besteht aus einem Co-Film, oder einem Film aus einer NiFe-Legierung, einer CoFe-Legierung, einer CoNiFe-Legierung oder dergleichen.

Das Laminat 9 aus den Schichten von der Koerzitivkraft-Verstärkungs schicht 1 bis hin zu der Schutzschicht 5 ist an seinen seitlichen Flächen zur Bildung von Schrägflächen angeschnitten, so daß das Laminat 9 die Form eines gleichschenkligen Trapezes hat. Wie in der Struktur der ersten Ausführungsform sind auf den beiden Seiten des Laminats 9 eine hartmagnetische Vormagnetisierungsschicht 9 und eine Stromleitschicht 8 niedergeschlagen. Die harte Vormagnetisierungsschicht 7 ist in Richtung X1 magnetisiert, so daß das Längs-Vormagnetisierungsfeld in Richtung X1 an die freie Magnetschicht 20 gelangt und die Magnetisierung der freien Magnetschicht 20 der Richtung X1 entspricht.

Die nicht magnetische Zwischenschicht 21 zwischen der ersten freien magnetischen Schicht 20 und der zweiten freien magnetischen Schicht 22 ist in Fig. 8 und 9 ebenfalls dargestellt. Ein Austausch-Koppelmagnet feld, welches zwischen der ersten und der zweiten freien magnetischen Schicht 20 und 22 gebildet wird (die RKKY-Interaktion), veranlaßt, daß die Magnetisierung der ersten und der zweiten freien magnetischen Schicht 20 und 22 zueinander antiparallel sind, was einem ferrimagneti schen Zustand entspricht.

Bei dem in Fig. 8 und 9 dargestellten Dünnschicht-Magnetelement wird beispielsweise die Schichtdicke tF1 der ersten freien magnetischen Schicht 20 kleiner eingestellt als die Schichtdicke tF2 der zweiten freien magnetischen Schicht 22.

Außerdem wird der Wert Ms × tF1 der ersten freien magnetischen Schicht 20 kleiner eingestellt als Ms × tF2 der zweiten freien magneti schen Schicht 22. Wenn von der harten Vormagnetisierungsschicht 7 in Richtung X1 ein Vormagnetisierungsfeld angelegt wird, so ist die Ma gnetisierung der zweiten freien Magnetschicht 22 mit dem großen Wert von Ms × tF2 unter den Einflüssen des Vormagnetisierungsfeldes in Richtung X1 orientiert, während die Magnetisierung der ersten freien magnetischen Schicht 20 mit dem kleinen Wert von Ms × tF1 antiparallel zu der Richtung X1 orientiert ist, bedingt durch das magnetische Feld der Austauschkopplung (die RKKY-Wechselwirkung) mit der zweiten freien magnetischen Schicht 22.

Wenn ein äußeres Magnetfeld von der Richtung Y in den Fig. 8 und 9 einwirkt, drehen sich die Magnetisierungen der ersten freien magneti schen Schicht 20 und der zweiten freien magnetischen Schicht 22 unter Einflüssen des äußeren Magnetfelds unter Beibehaltung des ferrimagneti schen Zustands. Der elektrische Widerstand ändert sich nach Maßgabe einer Beziehung zwischen einer veränderlichen Magnetisierung der ersten freien magnetischen Schicht 20, die einen Beitrag ΔMR leistet, und einer fixen Magnetisierung (d. h. einer Magnetisierung entgegen der Richtung Y in der Zeichnung) der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht 12, wobei das äußere Magnetfeld erfaßt wird als Änderung des elektrischen Widerstands.

Zu dieser Zeit wird ein Längs-Vormagnetisierungsfeld an die freien magnetischen Schichten 20 und 22 gelegt, und zwar durch die Magneti sierung der Vormagnetisierungsschicht 7, so daß glatte Widerstandsände rungen möglich sind, frei von Barkhausen-Rauschen.

Im folgenden wird ein Lesestrom-Magnetfeld für das in den Fig. 8 und 9 dargestellte Element erläutert.

Bei dem Magnetowiderstandselement nach den Fig. 8 und 9 ist die zweite fixierte magnetische Teilschicht 12 unterhalb der nicht magneti schen leitenden Schicht 13 gebildet, wie es auch bei der ersten Ausfüh rungsform der Fall war. In diesem Fall wird eine Richtung eines Lese strom-Magnetfelds eingestellt auf eine Magnetisierungsrichtung der er sten fixierten magnetischen Teilschicht 11 oder der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht 12, und zwar derjenigen Schicht, die das grö ßere magnetische Moment aufweist.

Bezugnehmend auf Fig. 9 ist das magnetische Moment der zweiten fi xierten magnetischen Teilschicht 12 größer als das magnetische Moment der ersten Teilschicht 11, und das magnetische Moment der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht 12 ist entgegen der Richtung Y, d. h. in der Figur nach links orientiert. Folglich ist ein resultierendes magneti sches Moment als Summe des magnetischen Moments der ersten Teil schicht 11 und des magnetischen Moments der zweiten Teilschicht 12 in einer Richtung entgegen der Richtung Y, also nach links in der Figur, orientiert.

Wie oben ausgeführt, ist die nicht magnetische leitende Schicht 3 über der zweiten Teilschicht 12 und der ersten Teilschicht 11 gebildet. Fol glich läßt sich ein Lesestrom-Magnetfeld, der durch einen durch die nicht magnetisch leitende Schicht 3 fließenden Lesestrom 112 erzeugt wird, dadurch steuern, daß man die Richtung des Lesestroms 12 derart ein stellt, daß das Lesestrom-Magnetfeld nach links in der Zeichnung in solchen Schichten orientiert ist, die von der nicht magnetischen leitenden Schicht 3 nach unten anschließen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Richtung des resultierenden magnetischen Moments aus dem magnetischen Moment der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 11 und der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht 12 übereinstimmen mit der Richtung des Lesestrom-Magnetfelds. Auf diese Weise ist auch die Ausführungsform nach den Fig. 8 und 9 in der Lage, für eine höhere thermische Stabilität der antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung der ersten und der zweiten Teilschicht 11 und 12 zu sorgen, genauso wie bei der ersten Ausführungsform.

Wenn das resultierende magnetische Moment, welches durch das magne tische Moment der ersten fixierten Teilschicht 11 und dasjenige der zweiten fixierten Teilschicht 12 nach Fig. 8 entsteht, nach rechts orien tiert ist, also entgegen der Richtung Y in der Zeichnung, so wird der Lesestrom in einer Richtung geführt, der der Richtung X1 entgegenge setzt ist, demzufolge das Lesestrom-Magnetfeld im Gegenuhrzeigersinn auf der Zeichnungsebene verläuft.

Der in den Fig. 8 und 9 dargestellte Aufbau ist äquivalent dem Auf bau der ersten Ausführungsform, was den Pinning-Effekt, also das Fixie ren durch die Schaffung der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 angeht. Folglich ist auch die zweite Ausführungsform im Stande, einen thermisch stabilen Fixier- oder Pinning-Effekt zu erzielen, so wie in dem Fall der ersten Ausführungsform.

Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines Beispiels eines Spinventil-Magneto widerstandselement an einem Dünnschicht-Magnetkopf einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 10 zeigt einen Aufbau, der z. B. in dem in den Fig. 3 bis 5 gezeigten gleitenden Dünnschicht-Magnetkopf eingesetzt wird. Der Dünnschicht-Magnetkopf nach diesem Beispiel ist in einem Festplatten laufwerk oder dergleichen angeordnet.

In dem in Fig. 10 gezeigten Magnetowiderstandselement GMR3 sind auf einer Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 31 eine fixierte magnetische Schicht 32, eine nicht magnetische leitende Schicht 33 und eine freie magnetische Schicht 34 in dieser Reihenfolge niedergeschlagen. Antifer romagnetische Schichten 35 sind auf den beiden Rändern der freien magnetischen Schicht 34 niedergeschlagen, wobei zwischen ihnen ein Interval verbleibt, welches einer Spurbreite Tw entspricht. Stromleit schichten 36 sind auf den antiferromagnetischen Schichten 35 nieder geschlagen, und auf den Stromleitschichten 36 und der freien magneti schen Schicht 34 ist eine obere Isolierschicht 37 niedergeschlagen. Bei dem Aufbau dieser Ausführungsform bilden die Koerzitivkraft-Verstär kungsschicht 31, die fixierte magnetische Schicht 32, die nicht magne tische leitende Schicht 33, die freie magnetische Schicht 34, die antifer romagnetische Schichten 35 und die Stromleitschichten 36 das Spinventil- Magnetowiderstandselement GMR3.

In dem Aufbau der dritten Ausführungsform wird die fixierte magne tische Schicht 32 gebildet aus einer ersten fixierten magnetischen Teil schicht 40, einer nicht magnetischen Zwischenschicht 41 und einer zwei ten fixierten magnetischen Teilschicht 42, die in dieser Reihenfolge auf der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 31 ausgebildet sind. Die Schich ten können die gleichen Materialien aufweisen wie bei dem obigen Aus führungsformen.

Vorzugsweise bestehen die antiferromagnetischen Schichten 35 aus bei spielsweise einer X-Mn-Legierung mit ungeordneter Struktur. In einer Zusammensetzungsformel besteht X vorzugsweise aus ein oder mehreren der Elemente Ru, Rh, Ir, Pd und Pt.

Die Mn-Legierung besitzt eine ungeordnete Kristallstruktur. Die unge ordnete Kristallstruktur bedeutet eine Kristallstruktur, die nicht als flä chenzentrierte tetragonale Struktur geordnet ist (flächenzentriertes Gitter; CuAuI-Struktur oder dergleichen). Genauer gesagt; die X-Mn-Legierung dieser Ausführungsform wird keiner bei hoher Temperatur erfolgenden längeren Erhitzung ausgesetzt, um eine geordnete Kristallstruktur zu erhalten (die CuAuI-Struktur oder dergleichen), z. B. die flächenzen trierte tetragonale Struktur, nachdem eine Schicht durch einen Nieder schlagungsprozeß gebildet wurde, beispielsweise Sputter-Niederschla gung. Die ungeordnete Kristallstruktur wird unmittelbar nach dem Auf sputtern erhalten, oder nachdem ein weiterer Niederschlagungsprozeß abgeschlossen oder ein typischer Wärmebehandlungsprozeß, der nicht dazu dienen soll, eine geordnete Kristallstruktur zu bilden, dem Nieder schlagungsprozeß angefügt würde.

Wenn X in der X-Mn-Legierung ein einzelnes Metallatom ist, so lautet die bevorzugten Bereiche für die Anteile X: 10-45 Atom-% Ru, 10-40 Atom-% Rh, 10-40 Atom-% Ir, 10-25 Atom-% Pd und 10-25 Atom-% Pt. In der obigen Beschreibung bedeutet 10-45 Atom-% "10 Atom-% oder mehr" und "45 Atom-% oder weniger", wobei obere und untere Grenzen der Wertebereiche, welche durch "- Zeichen" verbunden sind, stets definiert sind im Sinne von "oder mehr" und "oder weniger", falls nichts anderes angegeben ist.

Wenn die antiferromagnetische Schicht 35 sich aus der X-Mn-Legierung mit der ungeordneten Kristallstruktur zusammensetzt, so kann die Ma gnetisierung in einer Pfeilrichtung a in Fig. 10 dadurch orientiert wer den, daß der freien Magnetschicht 34 eine unidirektionale Anisotropie aufgeprägt wird, um eine Längs-Vormagnetisierung anzulegen. Auf diese Weise können die Magnetisierungsrichtungen der beiden Endbereiche der freien magnetischen Schicht 34, die mit den antiferromagnetischen Schichten 35 in Kontakt stehen, in die Richtungen eingestellt werden, die mit den Pfeilen a bezeichnet sind. Darüber hinaus kann auch die Magne tisierung eines Bereichs der freien magnetischen Schicht 34, der sich zwischen den antiferromagnetischen Schichten 34 und 35 befindet (ein mittlerer magnetisch empfindlicher Bereich der freien magnetischen Schicht 34, welcher einer Spurbreite Tw entspricht) in die durch die Pfeile a angebenen Richtungen mittels magnetischer Induktion orientiert werden.

Die Verwendung der X-Mn-Typ-Legierung für die antiferromagnetischen Schichten 35 sorgt für eine höhere Korrosionsbeständigkeit als konventio nelle antiferromagnetische Schichten aus Fe-Mn. Die Verwendung der antiferromagnetischen Schichten 35 verbessert also die Beständigkeit gegen Umgebungseinflüsse, minimiert das Auftreten von Rauschen beim Detektieren eines Streu-Induktionsflusses von einem magnetischen Medi um, und ermöglicht eine hochgenaue magnetische Detektion. Die Ver wendung der X-Mn-Legierung für die antiferromagnetischen Schichten 35 macht die Hochtemperatur- und Langzeitwärmebehandlung überflüssig und minimiert damit die Möglichkeit des Auftretens von Elementen- Diffusion unter den magnetischen Schichten aufgrund der Aufheizung und unterbindet Änderungen oder Beeinträchtigungen der magnetischen Kennwerte oder eine Beschädigung einer Isolierschicht.

Im folgenden wird eine ergänzende Beschreibung der Struktur angeboten, die die X-Mn-Legierung oder eine Pt-Mn-X-Legierung mit der flächen zentriert geordneten Kristallstruktur der CuAuI-Struktur verwendet, welche, eine Wärme- oder Glühbehandlung erfordert, um als antiferroma gnetische Schichten 35 fungieren zu können.

Eine Pt-Mn-Legierung mit der geordneten Struktur bietet eine bessere Korrosionsbeständigkeit als eine NiMn-Legierung, eine FeMn-Legierung oder dergleichen, die üblicherweise für die antiferromagnetischen Schich ten eingesetzt wird. Darüber hinaus, besitzt die Pt-Mn-Legierung eine hohe Sperrtemperatur und ein größeres Austausch-Koppelmagnetfeld.

Die antiferromagnetischen Schichten 35 können aus einer Legierung gebildet werden, die dargestellt wird durch eine Formel X-Mn (X be zeichnet ein Element aus der Gruppe Pd, Ru, Ir, Rh und Os) oder einer Legierung, die durch die Formal X'-Pt-Mn repräsentiert wird (X' bzeich net ein, zwei oder mehr Elemente aus der Gruppe Pd, Ru, Ir, Rh, Os, Au, Ag, Ne, Ar, Xe und Kr) anstelle der Pt-Mn-Legierung.

In den durch Pt-Mn und X-Mn repräsentierten Legierungen ist es wün schenswert, daß Pt oder X im Bereich von 37-63 Atom-%, vorzugs weise in einem Bereich von 47-57 Atom-% liegt. Darüber hinaus liegt in der Legierung entsprechend der Formel X'-Pt-Mn der Anteil X'-Pt im Bereich von 37 bis 63 Atom-%, vorzugsweise in einem Bereicht von 47 - 57 Atom-%. Für die durch X'-Pt-Mn repräsentierte Legierung liegt, wenn X' durch Au, Ag, Ne, Ar, Xe oder Kr gebildet wird, der Anteil von X' vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 bis 10 Atom-%; falls X' Pd, Ru, Ir, Rh oder Os ist, so liegt X' vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 bis 40 Atom-%.

Der Einsatz und das Glühen der Legierungen mit den richtigen, oben angegebenen Zusammensetzungen für die antiferromagnetischen Schich ten 35 machen es möglich, daß diese Schichten eine geordnete Kristall struktur besitzen, die ein starkes Austausch-Koppelmagnetfeld erzeugen. Die Verwendung der PtMn-Legierung mit der geordneten Kristallstruktur ermöglicht insbesondere, daß die antiferromagnetischen Schichten 35 ein Austausch-Koppelmagnetfeld liefern, welches den Wert von 800 Oe sowie eine extrem hohe Sperrtemperatur von 380°C übersteigt, wobei bei letzterer Temperatur das Austausch-Koppelmagnetfeld verloren geht. Für die Längs-Vormagnetisierung der freien magnetischen Schicht reicht ein Austauschkoppelmagnetfeld von 100 bis 200 Oe aus, was bedeutet, daß die Legierungen mit geordneten Strukturen der vorstehend genannten Zusammensetzungen die Möglichkeit bieten, ausreichend starke Aus tausch-Koppelmagnetfelder zu erreichen.

Bei der in Fig. 10 dargestellten Struktur wird dem Spinventil-Magneto widerstandselement GMR 3 aus den Stromleitschichten 36 ein Ruhestrom zugespeist.

In der in Fig. 10 dargestellten Struktur verursacht das Vorhandensein der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 31, daß die fixierte magnetische Schicht 32 einer magnetischen Austauschkopplung unterzogen wird, der zufolge ihre Koerzitivkraft erhöht wird, die Orientierung ihrer Magneti sierung festgelegt wird, und die Orientierung der Magnetisierung der freien magnetischen Schicht 34 in dem der Spurbreite Tw entsprechenden Bereich freigestellt wird. Im Ergebnis wird eine Differenz der Koerzitiv kraft zwischen der fixierten magnetischen Schicht 32 und der freien magnetischen Schicht 34 geschaffen, was einen Riesen-Magnetoresistenz effekt darstellt. Genauer gesagt, wenn ein äußeres Magnetfeld, beispiels weise ein Streu-Induktionsfluß seitens eines magnetischen Aufzeichnungs mediums, auf den mittleren Bereich ausgeübt wird, welcher der Spur breite Tw der freien magnetischen Schicht 34 entspricht, in der die Ma gnetisierung frei drehbar ist, so dreht sich die Orientierung der Magneti sierung der freien magnetischen Schicht 34 ungehindert und bewirkt eine Änderung des Widerstands innerhalb des Magnetowiderstandselements GMR3. Durch Messen der Widerstandsänderung kann magnetische Infor mation von dem magnetischen Aufzeichnungsmedium gelesen werden.

Wenn die Änderung des Widerstands stattfinden, befindet sich die freie magnetische Schicht 34 in einem Zustand, in welchem die Schicht 34 in einem Einzeldomänenzustand ausgerichtet und einer Längs-Vormagneti sierung unterzogen ist. Folglich lassen sich Widerstandsänderungen mit gutem linearen Ansprechverhalten ohne Barkhausen-Rauschen erzielen.

Auch bei der dritten Ausführungsform wird eine Filmdicke tP₂ der zwei ten fixierten magnetischen Teilschicht 42 größer eingestellt als eine Filmdicke tP₁ der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 40, wie es auch der Fall bei der ersten und der zweiten, oben beschriebenen Aus führungsform ist. Deshalb besitzt die zweite fixierte magnetische Teil schicht 42 eine stärkeres magnetisches Moment als die erste Teilschicht 40.

Folglich ist gemäß Fig. 10 aufgrund des Aufbaus dieser Ausführungs form das magnetische Moment (Ms × tP₂) der zweiten fixierten magneti schen Teilschicht 43 größer als das magnetische Moment (Ms × tP₁) der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 40. Daher beträgt das resultie rende magnetische Moment (Ms × tP₂) - (Ms × tP₁). Die Koerzitivkraft- Verstärkungsschicht 31 vollzieht eine Festlegung (Pinning) gegenüber dem resultierenden magnetischen Moment, so daß die Austauschkopplung wirksamer vorgenommen werden kann als dann, wenn die fixierte ma gnetische Schicht eine Einzelschichtstruktur aufweist. Man kann also ein stärkeres Austausch-Koppelmagnetfeld erreichen.

Die Struktur der dritten Ausführungsform schafft also einen so guten Fixier- oder Pinning-Effekt, wie er bei der ersten Ausführungsform er reicht wird. Insbesondere hat die Struktur der dritten Ausführungsform insofern einen Vorteil, als eine viel größere Fixierkraft, die zudem ther misch stabil ist, als bei einer Struktur erhalten werden kann, bei der die fixierte magnetische Schicht eine Einzelschichtstruktur ist.

Fig. 11 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spin ventil-Magnetowiderstandselements. Das Magnetowiderstandselement GMR4 dieser Ausführungsform besitzt ein Laminat 6 mit der gleichen Struktur wie das Laminat 6 der ersten Ausführungsform. Aus einem antiferromagnetischen Material gebildete antiferromagnetische Schichten 46 befinden sich beidseitig des Laminats 6, und auf den betreffenden antiferromagnetischen Schichten 46 sind ferromagnetis 39430 00070 552 001000280000000200012000285913931900040 0002010003471 00004 39311che Schichten 47 aus ferromagnetischem Material und Stromleitschichten 48 aus nicht magnetischem, leitenden Material niedergeschlagen.

Die antiferromagnetischen Schichten 46 der vierten Ausführungsform sind derart ausgebildet, daß sie Seitenbereiche des Laminats 6 an den Endabschnitten 46a abdecken, allerdings die Seitenabschnitte der freien magnetischen Schicht 4 nicht oder nur zu halben Dicke abdecken. Die ferromagnetischen Schichten 47 auf den antiferromagnetischen Schichten 46 decken mehr als die Hälfte der Dicke der Seitenabschnitte der freien magnetischen Schicht 4 an den Endabschnitten 47a ab. Eine Relation zwischen den Dicken der Schichten ist nicht auf die aus der Zeichnung entnehmbare Relation beschränkt.

Alternativ kann die vertikale Lagebeziehung zwischen den antiferroma gnetischen Schichten 46 und den ferromagnetischen Schichten 47 umge kehrt werden, oder man kann mehrere Laminate stapeln, jeweils die antiferromagnetische Schichten 46 und die ferromagnetischen Schichten 47 umfassen.

Bei der obigen Struktur sind vorzugsweise eine Koerzitivkraft-Verstär kungsschicht 1, eine fixierte magnetische Schicht 2, eine nicht magne tische Zwischenschicht 3 und eine freie magnetische Schicht 4 die glei chen Schichten, wie sie bei der ersten Ausführungsform verwendet wer den. Vorzugsweise bestehen die antiferromagnetischen Schichten 46 aus demselben Material wie die antiferromagnetischen Schichten 35 der dritten Ausführungsform, und die ferromagnetischen Schichten 47 beste hen aus laminierten Filmen mit einem ferromagnetischen Film aus amor phem CoNbZr, CoFeß, CoFeZr oder dergleichen, und einem aus einer NiFe-Legierung oder dergleichen bestehenden Kristallfilm.

In der in Fig. 11 gezeigten Struktur wird die Richtung der Magnetisie rung der ferromagnetischen Schichten 47 in Richtung X1 mit Hilfe unidi rektionaler Anisotropie der antiferromagnetischen Schichten 46 fixiert, die Richtung der Magnetisierung der freien magnetischen Schicht 4 wird in Richtung X1 geleitet, um die Magnetisierungsrichtung der ferromagne tischen Schichten 47 so einzustellen, daß das Anlegen einer Längs-Vor magnetisierung möglich ist, um die freie magnetische Schicht 4 in einen Einzeldomänenzustand auszurichten. Darüber hinaus läßt sich die Rich tung der Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht 2 in einer Richtung rechtwinklig zur Zeichnungsebene der Fig. 10 mit Hilfe der Koerzitivkraft-Verstärkungschicht 1 fixieren.

Auf diese Weise läßt sich die freie magnetische Schicht 4 in einen Ein zeldomänenzustand ausrichten, und die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht 4 läßt sich Rechtwinklig-Machen bezüglich einer Magnetisierungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht 2.

Die Bildung der ferromagnetischen Schichten 47 durch ein amorphes ferromagnetisches Material bietet den Vorteil, daß Änderungen und Neben-Lesevorgänge (das Aufnehmen von magnetischen Feldern eines magnetischen Mediums an Stellen außerhalb des Spurbereichs) minimiert werden und die unidirektionale Anisotropie mit weniger Dispersion eingeführt werden kann, weil die amorphe ferromagnetische Schicht einen schwächeren MR-Effekt aufweist.

Wie im Fall des Aufbaus der ersten bis dritten Ausführungsform, die oben erläutert wurden, ermöglicht der Aufbau der vierten Ausführungs form, daß die freie magnetische Schicht 4 in einen Einzeldomänenzu stand ausgerichtet und die Längs-Vormagnetisierung angewendet wird. Folglich lassen sich Widerstandsänderungen mit gutem linearen An sprechverhalten ohne Barkhausen-Rauschen erzielen. Weiterhin schafft der in Fig. 11 gezeigte Aufbau den gleichen Pinning-Effekt, den man durch die Schaffung der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 erzielt, ebenso wie bei der oben erläuterten ersten Ausführungsform. Dies be deutet, daß der Aufbau der vierten Ausführungsform im Stande ist, den gleichen Vorteil zu liefern, nämlich ein thermisch stabilen hervorragen den Pinning-Effekt, wie er bei der ersten Ausführungsform erzielt wird.

Fig. 18 zeigt den Aufbau einer fünften Ausführungsform des erfindungs gemäßen Spinventil-Magnetowiderstandselements. Bei dem Aufbau der fünften Ausführungsform sind auf einer Koerzitivkraft-Verstärkungs schicht 1 eine erste fixierte magnetischen Teilschicht 11, eine nicht magnetische Zwischenschicht 10 und eine zweite fixierte magnetische Teilschicht niedergeschlagen. Die erste Teilschicht 11, die nicht magne tische Zwischenschicht 10 und die zweite Teilschicht 12 bilden die fi xierte magnetische Schicht. Eine freie magnetische Schicht 16, bestehend aus einer ersten freien magnetischen Schicht 17 und einer zweiten freien magnetischen Schicht 18, ist über eine nicht magnetische leitende Schicht 15 auf die obigen Schichten niedergeschlagen. Außerdem sind auf der zweiten freien magnetischen Schicht 18 mit einem Abstand, der der Spurbreite Tw entspricht, ferromagnetische Schichten 19, antiferroma gnetische Schichten 130 und Stromleitschichten 131 niedergeschlagen. Auf diese Weise wird das Spinventil-Magnetowiderstandselement GMR5 gebildet.

Der in Fig. 18 gezeigte Aufbau zeigt den gleichen Effekt wie der Aufbau der dritten Ausführungsform, der oben in Verbindung mit Fig. 10 erläu tert wurde.

Im folgenden wird ein Fertigungsverfahren für das Spinventil-Magneto widerstandselement mit dem Aufbau der ersten Ausführungsform nach Fig. 2 erläutert.

Ein Substrat aus Al₂O₃-TiC (AlTic) wird in die Kammer einer Hoch frequenz-Magnetron-Sputterapparatur oder in eine Ionenstrahl-Sputter apparatur eingebracht, die Kammer wird mit einer in Inertgas-Atmo sphäre unter Einsatz von Ar-Gas oder dergleichen gebracht, die benötig ten Schichten werden nacheinander niedergeschlagen, und es wird mittels Photolithographie und Ionen-Abtrag dafür gesorgt, daß solche Teile entfernt werden, die nicht zu einer Zone gehören, die einer Spurbreite entspricht, um hierdurch das Laminat zu erzeugen, dessen Querschnitts form einem gleichschenkligen Trapez entspricht. Die hartmagnetischen Schichten und die Stromleitschichten werden auf beide Seiten des Lami nats in der Richtung der Spurbreite niedergeschlagen, anschließend wird in einem Magnetfeld geglüht, wie es weiter unten erläutert wird. Targets für den Niederschlag-Vorgang der Schichten enthalten ein α-Fe₂O₃-Tar get, ein Co-Target, ein Ni-Fe-Legierungs-Target und ein Cu-Target.

Zum Fertigen des in Fig. 1 gezeigten Spinventil-Magnetowiderstands element ist es notwendig, die Magnetisierungsrichtung einzustellen, in der die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 die Koerzitivkraft der fixier ten magnetischen Schicht 2 erhöht, um die Orientierung der Magnetisie rung zu fixieren (tatsächlich geht es um die Orientierung einer resultie renden Magnetisierung, repräsentiert durch ein resultierendes magneti sches Moment der ersten fixierten magnetischen Teilschicht 11 und der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht 12), und die Magnetisierungs richtung, die erhalten wird, wenn die hartmagnetische Vormagnetisie rungsschicht 7 eine Längs-Vormagnetisierung an die freie magnetische Schicht 4 legt, um die freie magnetische Schicht 4 in einen Einzeldomä nenzustand auszurichten, derart einzustellen, daß die beiden Orientie rungen gegeneinander um 90° versetzt sind. Dies macht einen zwei Schritte umfassenden Magnetisierungsprozeß erforderlich. Erfindungs gemäß wird die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 magnetisiert durch Glühen in einem Magnetfeld, oder wird bei Zimmertemperatur in einem ersten Schritt magnetisiert, und anschließend wird in einem zweiten Schritt die hartmagnetische Vormagnetisierungsschicht 7 durch einen Magnetisierungsprozeß magnetisiert.

Die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht 2 erhält man als Ergebnis einer Austauschkopplung, die bezüglich der fixierten magneti schen Schicht 2 von der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 aus α- Fe₂O₃ vorgenommen wird, um ihre Koerzitivkraft zu steigern. Diese Koerzitivkraft ist größer als eine Koerzitivkraft der hartmagnetischen Vormagnetisierungsschicht 7, die z. B. aus einer Co-Pt- oder einer Co- Cr-Legierung besteht. Aus diesem Grund erfolgt der Magnetisierungs prozeß des ersten Schritts bei Zimmertemperatur oder durch Glühen bei einer ersten Temperatur von 150°C bis 250°C während ein Magnetfeld (vorzugsweise 3 k bis 15 k Oe) in einer Richtung senkrecht zur Papiere bene der Fig. 2 erzeugt wird, welches größer ist als die Koerzitivkraft, die von der fixierten magnetischen Schicht 2 erzeugt wird.

Dann wird bei dem Magnetisierungsprozeß des zweiten Schritts ein Magnetfeld (vorzugsweise 1 k bis 3 k Oe), welches ausreichend groß ist, um die harte Vormagnetisierungsschicht 7 zu magnetisieren, und welches ausreichend schwach ist, um die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 nicht gleichzeitig zu magnetisieren, in Richtung der Spurbreite zur Ein wirkung gebracht, d. h. in seitlicher Richtung in Fig. 2, um auf diese Weise eine Magnetisierung in einer Richtung zu erreichen, die gegenüber der in dem ersten Schritt bewirkten Magnetisierung um 90° versetzt ist. In diesem Fall beträgt die Koerzitivkraft Hcp der fixierten magnetischen Schicht 2, erreicht durch Erhöhen der Koerzitivkraft der fixierten magne tischen Schicht 2 mit Hilfe der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1, die aus α-Fe₂O₃ besteht, 2000 bis 5000 Oe, was viel mehr ist als die 1000 bis 1400 Oe, die die hartmagnetische Vormagnetisierungsschicht 7 auf weist. Selbst wenn daher die Magnetisierung in der anderen Richtung während des zweiten Schritts ausführt wird, kann die harte Vormagneti sierungsschicht 7 magnetisiert werden, ohne dabei die Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht 2, welche während des ersten Schritts durchgeführt wurde, zu stören.

Man kann also das Magnetowiderstandselement mit dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Aufbau erhalten, bei dem die Magnetisierungsorientierung der fixierten magnetischen Schicht 2 sowie die der freien magnetischen Schicht 4 rechtwinklig zueinander gemacht werden können, d. h. so eingestellt werden können, daß sie sich unter einem Winkel von 90° schneiden.

Im Folgenden wird ein Fertigungsverfahren für das Spinventil-Magntowi derstandselement mit dem in Fig. 10 dargestellten Aufbau beschrieben. Die Fertigung des Magnetowiderstandselements nach Fig. 10 erfordert ebenfalls, daß die Orientierung der Magnetisierung der fixierten magneti schen Schicht 32 und die Magnetisierungsrichtung unter Verwendung der Längs-Vormagnetisierung, die durch die antiferromagnetischen Schichten 35 auf die freie magnetische Schicht 34 aufgebracht wird, um 90° gegen einander versetzt sind.

Zu diesem Zweck erfolgt in einem ersten Schritt eine Magnetisierung bei Zimmertemperatur oder eine Magnetisierung durch Glühen in einem Magnetfeld, anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt die Magneti sierung durch Glühen (oder Wärmebehandlung) in einem Magnetfeld.

Wenn eine X-Mn-Legierung oder eine Pt-Mn-X-Legierung mit einer geordneten Kristallstruktur für die antiferromagnetischen Schichten 35 verwendet wird, wird die fixierte magnetische Schicht 32, die auf die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 31 niedergeschlagen ist, durch Wär mebehandlung in einem Magnetfeld bei Zimmertemperatur oder bei einer ersten Temperatur magnetisiert. Dann wird die Orientierung der Magne tisierung, die durch die antiferromagnetischen Schichten 35 bezüglich der freien magnetischen Schicht 34 bewirkt wird, durch Glühen in einem Magnetfeld bei einer zweiten Temperatur im Rahmen eines zweiten Schritts vorgenommen. Die Stärke des Magnetfelds bei der Wärmebe handlung im Magnetfeld im Rahmen des zweiten Schritts ist kleiner als das Magnetfeld bei der Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht 32 im ersten Schritt. Folglich läßt sich die Wärmebehandlung oder das Glühen im Magnetfeld im Rahmen des zweiten Schritts realisie ren, ohne daß dabei die Orientierung der Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht 32, die im ersten Schritt magnetisiert wird, gestört wird.

Ein Fertigungsverfahren, bei dem eine x-Mn-Legierung mit einer un geordneten Struktur für die antiferromagnetischen Schichten 35 mit dem in Fig. 10 dargestellten Aufbau verwendet wird, soll im Folgenden beschrieben werden.

In diesem Fall wird die fixierte magnetische Schicht 32 auf der Koerzi tivkraft-Verstärkungsschicht 31 magnetisiert durch Glühen in einem Magnetfeld bei Zimmertemperatur oder bei einer ersten Temperatur, was einem ersten Schritt entspricht. Anschließend wird in einem zweiten Schritt die x-Mn-Legierung mit der ungeordneten Struktur durch einen Niederschlagungsprozeß auf der freien Magnetschicht ausgebildet, bei spielsweise durch Sputtern, d. h. Zerstäuben, in einem Magnetfeld. Auf diese Weise lassen sich die antiferromagnetischen Schichten 35 für die Längs-Vormagnetisierung zum Ausrichten der Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht 34 ausbilden.

Um im Rahmen des ersten Schritts das Glühen in dem Magnetfeld auszu führen, liegt die Temperatur vorzugsweise im Bereich von 150°C bis 250°C, die Stärke des Magnetfelds reicht vorzugsweise von 3 k bis 15 k Oe, wenn α-Fe₂O₃ für die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht verwendet wird, und eine Co- oder ein Co-Fe-Legierung wird für die fixierten magnetischen Schichten 40 und 42 verwendet. Für das Glühen im Ma gnetfeld im Rahmen des zweiten Schritts liegt die Temperatur vorzugs weise im Bereich von 200°C bis 270°C, die Stärke des Magnetfelds liegt vorzugsweise im Bereich von 30 bis 500 Oe.

Auf diese Weise kann das Magnetowiderstandselement mit dem in Fig. 10 gezeigten Aufbau erhalten werden, bei dem die Magnetisierungsrich tung der fixierten magnetischen Schicht 32 sowie diejenige der freien magnetischen Schicht 34 dazu gebracht werden können, daß sie rechtwin klig aufeinanderstehen oder einander unter einem Winkel von 90° schnei den.

Im folgenden wird ein Fertigungsverfahren für das Spinventil-Magneto widerstandselement mit dem in Fig. 11 gezeigten Aufbau erläutert.

Die Fertigung des Magnetowiderstandselements nach Fig. 11 macht es auch erforderlich, daß die Magnetisierungsrichtung der fixierten magneti schen Schicht 2 und die Magnetisierungsrichtung, die unter Einsatz der Längs-Vormagnetisierung durch die ferromagnetischen Schichten 47 über die antiferromagnetischen Schichten 46 auf die freie Magnetschicht 4 aufgebracht wird, gegeneinander um 90° versetzt sind.

Wenn die x-Mn-Legierung oder eine Pt-Mn-x-Legierung mit einer geord neten Struktur für die antiferromagnetischen Schichten 46 verwendet wird, erfolgt in einem ersten Schritt die Magnetisierung bei Zimmertem peratur oder eine Magnetisierung durch Wärmebehandlung im Magnet feld, anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt die Magnetisierung durch Wärmebehandlung im Magnetfeld.

In diesem Beispiel wird die auf der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht 1 niedergeschlagene fixierte magnetische Schicht 2 in einem ersten Schritt magnetisiert, indem in einem Magnetfeld bei Zimmertemperatur geglüht wird. Anschließend wird die Magnetisierungsrichtung, die durch die antiferromagnetischen Schichten 46 über die ferromagnetischen Schich ten 47 auf die freie Magnetschicht 4 aufgebracht wird, durch Glühen in Beisein eines Magnetfelds bei einer zweiten Temperatur im Rahmen des zweiten Schritts aufgebracht. Die Stärke des Magnetfelds beim Glühen im Magnetfeld im Rahmen des zweiten Schritts ist geringer als die des Magnetfelds, welches zum Magnetisieren der fixierten magnetischen Schicht 2 in dem ersten Schritt dient. Folglich läßt sich die Wärmebe handlung im Magnetfeld im Rahmen des zweiten Schritts realisieren, ohne dabei die Magnetisierungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht 2 zu stören, die in dem ersten Schritt magnetisiert wurde. Zur Wärmebehandlung im Magnetfeld im Rahmen des ersten Schritts liegt die Temperatur vorzugsweise im Bereich von 150°C bis 250°C, die Stärke des Magnetfelds reicht vorzugsweise von 3 k bis 15 k Oe, wenn a- Fe₂O₃ für die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht verwendet wird, wobei Co oder eine Co-Fe-Legierung für die fixierten magnetischen Schichten 11 und 12 verwendet wird. Zum Glühen im Magnetfeld im Rahmen des zweiten Schritts liegt die Temperatur vorzugsweise im Bereich von 200°C bis 270°C, die Stärke des Magnetfelds reicht vorzugsweise von 30 bis 500 Oe.

Auf diese Weise läßt sich das Magnetowiderstandselement mit dem in Fig. 11 dargestellten Aufbau erhalten, bei dem die Magnetisierungsrich tung der fixierten magnetischen Schicht 2 und diejenige der freien Ma gnetschicht 4 rechtwinklig aufeinanderstehen oder sich unter einem Win kel von 90° schneiden.

Im Folgenden wird ein Arbeitsbeispiel beschrieben.

Mit Hilfe einer Hochfrequenz-Magnetron-Zerstäubungsapparatur wurde ein Laminat mit dem in Fig. 11 gezeigten Aufbau auf einem Si-Substrat oder einem Saphir-Substrat, das mit einem Al₂O₃-Film überzogen war, aufgebracht durch Zerstäuben einer Mehrzahl von Targets, so daß die folgende Struktur erhalten wurde.

Bei diesem Beispiel war eine Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht aus a- Fe₂O₃ auf dem Si-Substrat ein 66 nm dicker polykristalliner Film. Die Dicke einer ersten fixierten magnetischen Teilschicht aus Co wurde auf 2 nm eingestellt, eine Dicke einer nichtmagnetischen Zwischenschicht aus Ru wurde auf 0,7 nm eingestellt, eine Dicke einer zweiten fixierten magnetischen Teilschicht aus Co wurde auf 2,5 nm eingestellt, die Dicke einer nichtmagnetischen leitenden Schicht aus Cu wurde auf 2,2 nm eingestellt, eine Dicke der freien magnetischen Schicht aus Co wurde auf 1,1 nm eingestellt, die Dicke einer freien magnetischen Schicht aus einer Ni₈₀Fe₂₀-Legierung wurde auf 7,7 nm eingestellt, und die Dicke einer Schutzschicht aus Ta wurde auf 3 nm eingestellt. Der Laminataufbau nach diesem Beispiel läßt sich folgendermaßen ausdrücken: Si-Substrat/ Al₂O₃-Film/α-Fe₂O₃-Film/Co-Film/Ru-Film/Co-Film/ Cu-Film/ Co-Film/ NiFe-Film/Ta-Film.

Das so angefertigte Laminat wurde mittels Photolithographie und Ionen- Abtragen bearbeitet, um Bereiche an den beiden Enden des Laminats zu entfernen und einen Bereich mit einer Spurbreite von 2 µm stehenzulas sen, d. h. mit einer Breite eines magnetisch empfindlichen Abschnitts. Eine zweite antiferromagnetische Schicht (Pt₅₀Mn₅₀) mit einer Dicke von 30 nm, eine amorphe ferromagnetische Schicht (Co₈₈Mb₈Zr₄) mit einer Dicke von 20 nm und eine Elektrodenleiterschicht (Cu) mit einer Dicke von 70 nm wurden auf beiden Seiten in Richtung der Laminat-Spur breite des stehengebliebenen magnetisch empfindlichen Bereichs ausgbil det.

Anschließend wurde ein Magnetfeld von 10 kOe in Richtung Y oder in Höhenrichtung gemäß Fig. 11 angelegt, um die Koerzitivkraft-Verstär kungsschicht zu magnetisieren. Im Anschluß daran erfolgte das Glühen bei 250°C während 4 Stunden, während ein Magnetfeld von 100 Oe in Richtung X1 oder in Richtung der Spurbereite gemäß Fig. 2 aufgeprägt wurde, um der auf die antiferromagnetischen Schicht niedergeschlagenen ferromagnetischen Schicht eine unidirektionale Anisotropie aufzuprägen und dadurch das Spinventil-Magnetowiderstandselement mit dem in Fig. 11 dargestellten Aufbau zu erhalten.

Fig. 12 zeigt Meßergebnisse in Form einer Kurve von Widerstands änderungen des Spinventil-Magnetowiderstandselements dieses Beispiels. Wie in Fig. 12 gezeigt ist, weist das Magnetowiderstandselement des Beispiels einen hervorragenden Wert Hcp = 2410 Oe auf, außerdem eine hervorragende Widerstands-Änderungsrate von 14,9%.

"Hcp" bezeichnet eine Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht, die durch die magnetische Austauschkopplung seitens der Koerzitiv kraft-Verstärkungsschicht verbessert wurde. Ein größerer Wert von Hcp bedeutet eine stärkere Kraft für die Fixier-Magnetisierung. Da der Wert von Hcp bei diesem Beispiel 2410 Oe beträgt, ist ersichtlich, daß die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht größer ist als die 1400 Oe betragende Koerzitivkraft des hartmagnetischen Materials der harten Vormagnetisierungsschicht zum Anlegen der Längs-Vormagnetisierung gemäß Fig. 2. Deshalb kann als Fertigungsverfahren für dieses Arbeits beispiel von einem Verfahren Gebrauch gemacht werden, bei dem die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht magnetisiert wird, indem ein Magne tisierungsprozeß in einem ersten Schritt durchgeführt wird, während die harte Vormagnetisierungsschicht magnetisiert wird, indem der Magneti sierungsprozeß in einem zweiten Schritt ausgeführt wird.

Anschließend wurden die folgenden Schichten auf dem Saphir-Substrat mit einem Oberflächenindex gemäß Fig. 13 zur Fertigung eines Laminats niedergeschlagen: Eine Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht aus einem Einkristall aus α-Fe₂O₃ mit einer Dicke von 60 nm, eine erste fixierte magnetische Teilschicht aus Co mit einer Dicke von 1,5 nm, eine nicht magnetische Zwischenschicht aus Ru mit einer Dicke von 0,7 nm, eine 2 nm dicke zweite fixierte magnetische Teilschicht aus Co, eine 2,2 nm dicke nichtmagnetische leitende Schicht aus Cu und eine 8,7 nm dicke freie magnetische Schicht aus einer Ni₈₀Fe₂₀-Legierung. Der Laminatauf bau nach diesem Beispiel läßt sich folgendermaßen ausdrücken: Saphir- Substrat/α-Fe₂O₃-Film/Co-Film/ Ru-Film/Co-Film/Cu-Film/NiFe-Film/Ta-Film. Dann wurden wie bei den vorausgehenden Ausführungsbeispielen zweite antiferromagnetischen Schichten, ferromagnetische Schichten und Stromleitschichten auf beiden Seiten des Laminats ausgebildet, und es wurde der gleiche Zweischritt- Magnetisierungsprozeß ausgeführt, um das Spinventil-Magnetowider standselement fertigzustellen.

Fig. 13 zeigt Meßergebnisse in Form einer Kurve von Widerstands- Änderungen des Magnetowiderstandselements nach diesem Beispiel. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, besitzt das Magnetowiderstandselement dieses Beispiels einen hervorragenden Wert Hcp = 4650 Oe, außerdem ein her vorragende Widerstands-Änderungsrate von 7,7%.

Vergleichsbeispiele

Als erstes Vergleichsbeispiel wurde ein Spinventil-Magnetowiderstands element mit Hilfe einer Einzelschichtstruktur der fixierten magnetischen Schicht in der Struktur gemäß dem oben erläuterten Arbeitsbeispiel hergestellt, wobei ein anderer Zweischritt-Magnetisierungsprozeß einge setzt wurde.

Eine Struktur eines Laminats gemäß diesem Vergleichsbeispiel lautet: Si-Substrat/Al₂O₃-Film/α-Fe₂O₃-Film mit einer Dicke von 66 nm/ein 3 nm dicker Cu-Film/2,2 nm dicker Cu-Filmlein 1,1 nm dicker Co-Film/ein 7,7 nm dicker NiFe-Film/ein 3 nm dicker Ta-Film. Es wurden die gleiche Vormagnetisierungsschicht und Stromleitschicht wie beim Arbeitsbeispiel verwendet.

Die Erfinder wußten bereits, daß der Wert von Hcp bei der Struktur des Vergleichsbeispiels niedriger sein würde, wie dies z. B. in der japani schen ungeprüften Patentveröffentlichung 10-112562 offenbart ist. Des halb wurde bei der Struktur des Vergleichsbeispiels eine Wärmebehand lung bei 250°C vier Stunden lang ausgeführt, während ein Magnetfeld von 100 Oe in Richtung der Spurbreite im Rahmen eines ersten Schritts angelegt wurde, woraufhin die fixierte magnetische Schicht, die auf eine Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht niedergeschlagen war, magnetisiert wurde, während ein Magnetfeld von 1 kOe in Richtung Y oder in Hö henrichtung angelegt wurde, um das Spinventil-Magnetowiderstandsele ment herzustellen.

Fig. 14 zeigt Meßergebnisse in Form einer Kurve des magnetischen Widerstands bei dem so erhaltenen Magnetowiderstandselement. Wie in Fig. 14 zu sehen ist, zeigt das Magnetowiderstandselement nach diesem Beispiel einen Wert Hcp = 804 Oe und eine Widerstands-Änderungsrate von 14,6%. Das Vergleichsbeispiel zeigte einen geringeren Hcp-Wert als das Arbeitsbeispiel, wenngleich es eine höhere Widerstands-Änderungs rate zeigte.

Als zweites Vergleichsbeispiel wurde ein Magnetowiderstandselement hergestellt, indem durch Niederschlagen folgender Schichten auf einem Saphir-Substrat mit einem Oberflächenindex gemäß Fig. 15 ein Laminat gebildet wurde: ein 66 nm dicker α-Fe₂O₃-Film, ein 5,8 nm dicker NiFe-Film, ein 2,2 nm dicker Cu-Film und ein 8,7 nm dicker NiFe- Film. Es wurden genauso wie bei obigem Arbeitsbeispiel die gleiche Vormagnetisierungsschicht und die gleichen Stromführungsschichten verwendet.

Fig. 15 zeigt Meßergebnisse in Form einer Kurve von Widerstands- Änderungen bei dem so erhaltenen Magnetowiderstandselement. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, zeigt dieses Magnetowiderstandselement einen Wert von Hcp = 871 Oe und ferner eine Widerstands-Änderungsrate von 5,0%. Bei diesem Beispiel war der Wert von Hcp niedriger als bei dem Ar beitsbeispiel.

Ein Vergleich der Kennwerte der Magnetowiderstandselemente nach dem Arbeitsbeispiel und nach den Vergleichsbeispielen zeigte, daß das Ma gnetowiderstandselement mit dem polykristallinem α-Fe₂O₃-Film auf dem Si-Substrat in der Lage ist, eine höhere Widertands-Änderungsrate zu liefern, außerdem eine extrem hohe Koerzitivkraft von mehr als 2000 Oe, die im Stand der Technik nicht erzielbar ist. Außerdem wurde herausgefunden, daß das Magnetowiderstandselement unter Verwendung des Einkristall-α-Fe₂O₃-Films auf dem Saphir-Substrat eine geringere Widerstands-Änderungsrate aufweist, als sie bei dem Spinventil-Magne towiderstandselement erreicht wurde, welches von dem polykristallinem a-Fe₂O₃-Film Gebrauch machte, da es für die freie magnetische Schicht nicht Ce verwendet; allerdings ist die Widerstands-Änderungsrate annä hernd die gleiche wie bei einem herkömmlichen Spinventil-Magnetowi derstandselement, welches FeMn verwendet und weit verbreitet ist. Die Koerzitivkraft Hcp der fixierten magnetischen Schicht zeigte allerdings einen erfreulich großen Wert, der 5000 Oe überschritt.

Diese oben erwähnten Werte der Koerzitivkraft sind viel größer als die Werte der Austausch-Koppelmagnetfelder (Hex), die bei anderen Typen von Fixiereinrichtungen erhalten werden (z. B. 330 Oe im Fall von FeMn, 330 Oe bei NiO, 270 Oe im Fall von IrMn, 700 Oe im Fall von PtMn und 480 Oe bei PdPtMn), verglichen mit einem erfindungsgemä ßen Beispiel, bei dem ein unidirektionales Austausch-Koppelmagnetfeld dazu dient, eine fixierte magnetische Schicht festzulegen.

Folglich ist das erfindungsgemäße Magnetowiderstandselement mit einer fixierten magnetischen Schicht ausgestattet, die einem Austausch-Koppel magnetfeld ausgesetzt ist, welches seitens einer Koerzitivkraft-Verstär kungsschicht aufgeprägt wird, um die Koerzitivkraft zu steigern und so die Magnetisierung der Schicht zu fixieren, wobei eine freie magne tische Schicht mit einer Magnetisierung orthogonal zur Magnetisierungs richtung der fixierten magnetischen Schicht vorhanden ist, deren Magne tisierung sich ohne weiteres durch ein äußeres Magnetfeld ändert. Dar überhinaus ist die fixierte magnetische Schicht derart strukturiert, daß sie in zwei Schichten aufgetrennt ist, nämlich eine erste fixierte magnetische Teilschicht und eine zweite fixierte magnetische Teilschicht, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht voneinander getrennt sind. Bei dieser Anordnung übt die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht die Wir kung eines Austausch-Koppelmagnetfelds aus, um die Magnetisierungs richtung der fixierten magnetischen Schicht festzulegen, entgegen einem resultierenden magnetischen Moment der ersten fixierten magnetischen Teilschicht und der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht. Folglich läßt sich die Magnetisierungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht weitaus sicherer fixieren als bei einer fixierten magnetischen Schicht mit Einzelschichtaufbau. Im Ergebnis erhält man ein Magnetowiderstands element mit erhöhter Fixierkraft der fixierten magnetischen Schicht.

In der fixierten magnetischen Schicht, die durch eine erste und eine zweite fixierte magnetische Teilschicht gebildet wird, kann, wenn die beiden Teilschichten in einem antiparallelen ferromagnetischen Zustand gehalten werden, in welchem die Magnetisierungsrichtungen der beiden Schichten um 180° gegeneinander versetzt sind, die Magnetisierung fixiert werden, während der ferromagnetische Zustand beibehalten wird, so daß ein einfaches Fixieren der Magnetisierung möglich ist. Wenn darüberhinaus ein integrierter Wert der Sättigungsmagnetisierung und der Dicke der ersten fixierten magnetischen Teilschicht sich unterscheidet von dem der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht, so liefert die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht eine Fixierkraft in umgekehrtem Verhältnis zu dem Differenzwert. Dies gestattet die Realisierung einer weit höheren Fixierkraft als bei der fixierten magnetischen Schicht in Form einer Einzelschichtstruktur.

Um die Längs-Vormagnetisierung zum Ausrichten der freien magneti schen Schicht in einen Einzeldomänenzustand zu bringen, kann man ein Magnetowiderstandselements des obigen Aufbaus mit einer der folgen den drei Strukturen ausstatten: eine Struktur, die die harte Vormagneti sierungsschicht verwendet, eine Struktur, bei der eine antiferromagne tische Schicht benachbart zu der freien magnetischen Schicht vorgesehen ist, bestehend aus einem zweiten antiferromagnetischen Material als Längs-Vormagnetisierungsschicht, oder eine Struktur, bei der eine ferromagnetische Schicht der freien mägnetischen Schicht benachbart ist und eine antiferromagnetische Schicht aus einem zweiten antiferroma gnetischen Material als Längs-Vormagnetisierungsschicht eingesetzt wird.

Das Ausrichten der freien magnetischen Schicht in einen Einzeldomänen zustand durch Anlegen der Längs-Vormagnetisierung an die freie magne tische Schicht seitens der Längs-Vormagnetisierungsschicht ermöglicht die Schaffung eines Magnetowiderstandselements, welches glatte Wider stands-Änderungen aufweist, frei von Barkhausen-Rauschen und in der Lage, magnetische Information zu lesen.

Im Fall der Struktur, in der die Längs-Vormagnetisierung an die freie magnetische Schicht gelegt wird, um diese in einen Einzeldomänenzu stand auszurichten, was mit Hilfe der Längs-Vormagnetisierungsschicht aus dem zweiten antiferromagnetischen Material geschieht, oder mit Hilfe der Längs-Vormagnetisierungsschicht aus einer ferromagnetischen Schicht und dem zweiten antiferromagnetischen Material anstelle der harten Vormagnetisierungsschicht, wird die Möglichkeit der Erzeugung eines Bereichs minimiert, in welchem es schwierig ist, die Magnetisie rung der freien magnetischen Schicht zu orientieren, d. h. die Erzeugung einer Totzone, wenn ein äußeres Magnetfeld an die freie magnetische Schicht angelegt wird. Diese Anordnung macht es möglich, ein Magneto widerstandselement zu schaffen, welches in der Lage ist, Änderungen in einer Magnetisierung über den gesamten Bereich exakt nachzuweisen, welcher einer vorbestimmten Spurbereite entspricht.

Im Fall der Struktur mit einer Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht aus α-Fe₂O₃ beträgt die Sperrtemperatur des α-Fe₂O₃ 320°C, was höher ist als die Sperrtemperaturen von FeMn sowie anderen konventionellen Materialien. Damit zeigt die Struktur hohe Hitzebeständigkeit und er möglicht die Erzielung einer stabilen Fixierkraft sowie stabiler Wider stands-Änderungen auch dann, wenn das Magnetowiderstandselement mit dieser Struktur in einer Magnetkopfanordnung oder dergleichen einge setzt wird, wo es auf eine Temperatur von über 200°C erwärmt wird, bedingt durch die von dem Gerät erzeugte Wärme.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein Nebenschlußverlust des Lese stroms reduziert werden kann, da das α-Fe₂O₃ von Hause aus ein Isolator ist und einen hohen elektrischen Widertand aufweist.

Magnetköpfe, die mit Spinventil-Magnetowiderstandselementen ausgestat tet sind, die die oben erläuterten Strukturen besitzen, können Änderun gen des Widerstands bei linearem Ansprechverhalten auf geringfügige Magnetfelder seitens eines magnetischen Aufzeichnungsträgers veranlas sen, um dadurch bei hoher Empfindlichkeit magnetische Information ohne Barkhausen-Rauschen zu lesen. Darüberhinaus zeigen die Magnet köpfe hohe Wärmebeständigkeit, was bedeutet, daß stabile Widerstands- Änderungen auch dann erreichbar sind, wenn das Element auf 200°C oder darüber erhitzt wird aufgrund der Erwärmung des das Elemente beinhaltenden Bauelements.

Wenn bei einem Magnetkopf eine Isolierschicht um das Magnetowider standselement herum angeordnet ist, so sollte das Magnetowider standselement möglichst dünn sein. In der Vergangenheit wurde eine gewisse Dicke für die Isolierschicht benötigt, um die Isolierung beim Entwurf der Magnetköpfe zu garantieren. Die Isoliereigenschaften lassen sich verbessern durch Ausbilden der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, die einen Hauptanteil der Dicke des Magnetowiderstandselements aus macht, indem als Isolator α-Fe₂O₃ eingesetzt wird. Indem man die Iso lierschicht und die Spaltschicht um das Magnetowiderstandselement herum dünner als beim Stand der Technik macht, erzielt man den Vor teil einer verbesserten Isolierung durch Ausbildung der Koerzitivkraft- Verstärkungsschicht mit dem Isolator α-Fe₂O₃, was den vorteilhaften Effekt höherer Auflösungen beim Lesen mit Hilfe des dieses Element beinhaltenden magnetischen Kopfs hat, so daß dieser Magnetkopf sich zum Lesen einer Spur mit höherer Aufzeichnungsdichte eignet.

Das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren zum Herstellen eines Spin ventil-Magnetowiderstandselements mit einer Koerzitivkraft-Verstär kungsschicht, einer fixierten magnetischen Schicht in Form von zwei aufgetrennten Schichten, einer nichtmagnetischen leitenden Schicht, einer freien magnetischen Schicht und einer Längs-Vormagnetisierungsschicht weist folgende Schritte auf: Ausbilden der vorerwähnten Schichten auf einem Substrat, anschließendes Erhöhen einer Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht durch Magnetisieren der Schicht bei Zimmertempe ratur oder durch Wärmebehandlung bei einer erten Temperatur in einem Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zu einer Spurbereite, um da durch die Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht festzulegen; und Aufprägen eines Magnetfelds, welches schwächer ist als die Koerzi tivkraft der fixierten magnetischen Schicht, auf die Vormagnetisierungs schicht in einer Richtung der Spurbreite, um ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen. Somit kann die Vormagnetisierungsschicht in einem nach folgenden Schritt magnetisiert werden, ohne dabei die Magnetisierung der bereits magnetisierten fixierten magnetischen Schicht zu stören.

Selbst bei einem Aufbau, bei dem die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht sowie die Magnetisierungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht gegeneinander um 90° versetzt sind, läßt sich das Längs-Vormagnetisierungsfeld an die freie magnetische Schicht anlegen, ohne dabei die Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht zu stören, welche bereits magnetisiert wurde. Bei dieser Ausgestaltung erhält man ein Magnetowiderstandselement mit hoher Fixierkraft für die fixierte magnetische Schicht.

Die gleichen Vorteile lassen sich erzielen, wenn man von einem erfin dungsgemäßen Fertigungsverfahren Gebrauch macht, welches folgende Merkmale besitzt: Eine Struktur, die die harte Vormagnetisierungsschicht als Mittel zum Anlegen der Längs-Vormagnetisierung verwendet, eine Struktur unter Verwendung einer Vormagnetisierungsschicht, die gebildet wird aus einem zweiten antiferromagnetischen Material und einer ferro magnetischen Schicht, und eine Struktur, bei der die Längs-Vormagneti sierungsschichten aus dem zweiten antiferromagnetischen Material auf beiden Seiten der freien magnetischen Schicht in Richtung der Spurbreite angeordnet sind. Genauer: die Vormagnetisierungsschicht läßt sich in einem späteren Schritt magnetisieren, ohne die Magnetisierung der fixier ten magnetischen Schicht zu stören, welche bereits magnetisiert wurde, indem der Prozeß implementiert wird, bei welchem die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht erhöht wird durch Magnetisieren dieser fixierten magnetischen Schicht bei Zimmertemperatur oder durch Wärmebehandlung bei der ersten Temperatur in einem Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zur Spurbreite, um damit die Magnetisierung der fixierten magnetischen Schicht festzulegen, und durch Aufprägen eines Magnetfelds, welches kleiner ist als die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht, auf die Vormagnetisierungsschicht, und zwar in einer Richtung der Spurbreite, um ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeu gen.

Claims

1. Magnetowiderstandselement vom Spinventiltyp umfassend:
eine Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht aus einem ersten antiferro magnetischen Material;
eine fixierte magnetische Schicht, deren Koerzitivkraft erhöht wird durch ein Austausch-Koppelmagnetfeld, welches seitens der Koerzi tivkraft-Verstärkungsschicht aufgebracht wird, um eine Magnetisie rungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht festzulegen; und
eine nichtmagnetische leitende Schicht, ausgebildet zwischen der fixierten magnetischen Schicht und der freien magnetischen Schicht, deren Magnetisierung in einer Richtung orientiert ist, die die Ma gnetisierungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht schneidet; wobei ein Lesestrom in einer Richtung geführt wird, die die fixierte Magnetisierungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht schnei det, und eine Änderung des elektrischen Widerstands erfaßt wird aus einem Winkel, der durch die Magnetisierung der fixierten magneti schen Schicht und die Magnetisierung der freien magnetischen Schicht gebildet wird; und
wobei die fixierte magnetische Schicht aufgetrennt ist in zwei Teil schichten, nämlich eine erste fixierte magnetische Teilschicht be nachbart zu der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, und eine zweite fixierte magnetische Teilschicht benachbart zu der nichtmagnetischen leitenden Schicht, wobei dazwischen eine nichtmagnetische Zwi schenschicht liegt.

2. Element nach Anspruch 1, bei dem ein ferromagnetischer Zustand erzeugt wird, bei dem eine Magnetisierungsrichtung der ersten fixierten magnetischen Teilschicht und eine Magnetisierungsrichtung der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht um 180° gegenein ander verschoben sind, um eine antiparallele Beziehung zu bilden.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Wert eines magneti schen Moments, gebildet durch einen integrierten Wert einer Sätti gungsmagnetisierung und einer Dicke der ersten fixierten magneti schen Teilschicht, unterschiedlich ist von einem Wert eines magneti schen Moments, der repräsentiert wird durch einen integrierten Wert einer Sättigungsmagnetisierung und einer Dicke der zweiten fixierten magnetischen Teilschicht; und
wobei die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht eine magnetische Austauschkopplung auf die fixierte magnetische Schicht ausübt, die durch die erste und die zweite fixierte magnetische Teilschicht gebil det wird, während die Werte der magnetischen Momente unter schiedlich sind, um dadurch ein Austausch-Kopplungsmagnetfeld zu steigern.

4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Einrich tung zum Anlegen einer Längs-Vormagnetisierung zum Orientieren der Magnetisierung der freien magnetischen Schicht gebildet wird durch hartmagnetische Vormagnetisierungsschicht aus einem hartma gnetischen Material auf beiden Seiten in einer Richtung orthogonal zu der Dickenrichtung der freien magnetischen Schicht.

5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Einrichtung zum Anlegen einer Längs-Vormagnetisierung zur Orientierung der Magnetisierung der freien magnetischen Schicht eine antiferromagnetische Schicht ist, die aus einem zweiten antifer romagnetischen Material benachbart zu der freien magnetischen Schicht angeordnet ist; und
ein unidirektionales Austausch-Vormagnetisierungsfeld an die freie magnetische Schicht durch die antiferromagnetische Schicht angelegt wird, um magnetische Anisotropie zu induzieren und damit eine ma gnetische Domäne in der freien magnetischen Schicht zu stabilisie ren.

6. Element nach einem der der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine Einrichtung zum Anlegen einer Längs-Vormagnetisierung zum Orientieren der Magnetisierung der freien magnetischen Schicht eine antiferromagnetische Schicht ist, gebildet durch eine ferromagne tische Schicht benachbart zu der freien magnetischen Schicht, und eine antiferromagnetische Schicht aus einem zweiten antiferroma gnetischen Material auf der ferromagnetischen Schicht; und
ein unidirektionales Austausch-Vormagnetisierungsfeld auf die ferro magnetische Schicht seitens der antiferromagnetischen Schicht ausge übt wird, um magnetische Anisotropie zu induzieren und damit eine magnetische Domäne in der freien magnetischen Schicht durch ferromagnetische Kopplung zwischen der freien magnetischen Schicht und der ferromagnetischen Schicht zu stabilisieren

7. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht aus einem antiferromagneti schen Oxidmaterial gebildet ist; und
eine Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht mit deren durch die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht fixierte Magnetisierung größer ist als ein unidirektionales Austausch-Vormagnetisierungs feld, welches seitens der antiferromagnetischen Schicht in der fi xierten magnetischen Schicht induziert wird.

8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Koerzitiv kraft-Verstärkungsschicht aus α-Fe₂O₃ gebildet ist.

9. Fertigungsverfahren für ein Magnetowiderstandselement vom Spin ventil-Typ, gebildet aus einer Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, einer dieser benachbarten fixierten magnetischen Schicht, einer nichtmagnetischen leitenden Schicht, einer freien magnetischen Schicht, einer Vormagnetisierungssschicht zum Anlegen einer Längs-Vormagnetisierung an die freie magnetische Schicht, und einer Stromleitschicht, wobei diese Schichten auf ein Substrat nie dergeschlagen sind und die fixierte magnetische Schicht in zwei Schichten aufgetrennt ist, zwischen denen sich eine nichtmagne tische Zwischenschicht befindet, umfassend folgende Schritte:
ein Schritt des Ausbildens der Schichten auf dem Substrat, um an schließend eine Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht zu erhöhen durch Magnetisieren dieser fixierten magnetischen Schicht in einem Magnetfeld in eine Richtung senkrecht zu einer Spurbreite, oder durch Wärmebehandlung in einem Magnetfeld bei einer ersten Temperatur, um die Magnetisierung in der fixierten magnetischen Schicht festzulegen; und
einen Schritt des Wärmebehandelns unter gleichzeitiger Einwirkung eines Magnetfelds, welches schwächer ist als die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht in Richtung der Spurbreite, um da durch ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen.

10. Fertigungsverfahren für ein Magnetowiderstandselement vom Spin ventil-Typ, umfassend die Schritte:
auf einem Substrat wird ein Laminat gebildet, das eine Koerzitiv kraft-Verstärkungsschicht, eine fixierte magnetische Schicht, eine nichtmagnetische leitende Schicht und eine freie magnetische Schicht mit einer Breite entsprechend einer Spurbreite aufweist, von denen die fixierte magnetische Schicht in zwei Schichten mit einer dazwi schenliegenden nichtmagnetischen Zwischenschicht aufgetrennt ist;
Ausbilden von aus hartmagnetischem Material bestehenden Vor magnetisierungsschichten auf beiden Seiten des Laminats in Rich tung der Spurbreite;
Erhöhen einer Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht durch ein Austausch-Koppelmagnetfeld der Koerzitivkraft-Verstär kungsschicht, indem auf die fixierte magnetische Schicht, die der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht benachbart ist, ein Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zur Spurbreitenrichtung bei Zimmertempe ratur aufgebracht wird, oder, indem eine Wärmebehandlung durch geführt wird, um dadurch eine Magnetisierungsrichtung der fixier ten magnetischen Schicht festzulegen; und
Anlegen eines Magnetfelds, welches schwächer ist als die Koerzitiv kraft der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, in die Richtung der Spurbreite, um die harte Vormagnetisierungsschicht zu magnetisie ren und zu veranlassen, daß auf die freie magnetische Schicht ein Längs-Vormagnetisierungsfeld einwirkt.

11. Fertigungsverfahren für ein Magnetowiderstandselement vom Spin ventil-Typ, umfassend die Schritte:
auf einem Substrat werden eine Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, eine fixierte magnetische Schicht, die sich auf der Koerzitivkraft- Verstärkungsschicht befindet und aufgetrennt ist in zwei Schichten mit einer dazwischenliegenden nichtmagnetischen Zwischenschicht, eine nichtmagnetische leitende Schicht, eine freie magnetische Schicht und eine Längs-Vormagnetisierungsschicht, die durch eine zweite antiferromagnetische Schicht gebildet wird, niedergeschlagen;
Magnetisieren der fixierten magnetischen Schicht bei Zimmertempe ratur oder durch Wärmebehandlung bei einer ersten Wärmebehand lungstemperatur unter Einwirkung eines Magnetfelds auf die fixierte magnetische Schicht, die der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht benachbart ist, in einer Richtung rechtwinklig zur Richtung einer Spurbreite, um dadurch die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht zu steigern durch ein Austausch-Koppelmagnetfeld, um so die Magnetisierungsrichtung der Schicht festzulegen;
Wärmebehandeln der Längs-Vormagnetisierungsschicht unter gleich zeitiger Einwirkung eines Magnetfelds, das schwächer ist als die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht, in der Richtung der Spurbreite, um ein Längs-Vormagnetisierungsfeld durch ein unidirektionales Austausch-Koppelmagnetfeld zu bilden; und
Entfernen der antiferromagnetischen Schicht in einer der Spurbreite entsprechenden Breite.

12. Fertigungsverfahren für ein Magnetowiderstandselement vom Spin ventil-Typ, umfassend:
Ausbilden einer Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, einer auf dieser niedergeschlagenen fixierten magnetischen Schicht, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht in zwei Schichten aufgetrennt ist, einer nichtmagnetischen leitenden Schicht und einer freien magneti schen Schicht in kontinuierlicher Weise auf einem Substrat;
Ausbilden einer ferromagnetischen Schicht auf der freien magneti schen Schicht mit einer vorbestimmten Spurbreite dazwischen, au ßerdem Ausbilden einer antiferromagnetischen Schicht aus einem zweiten antiferromagnetischen Material auf der ferromagnetischen Schicht;
Durchführen einer Magnetisierung bei Zimmertemperatur oder einer Wärmebehandlung bei einer ersten Temperatur unter Einwirkung eines magnetischen Feldes auf die fixierte magnetische Schicht, die der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht benachbart ist, in einer Rich tung rechtwinklig zur Spurbreite, um eine Koerzitivkraft der fixier ten magnetischen Schicht zu steigern durch ein Austausch-Koppel magnetfeld, um dadurch die Richtung der fixierten magnetischen Schicht festzulegen; und
Wärmebehandeln der antiferromagnetischen Schicht unter Einwir kung eines Magnetfelds, das schwächer ist als die Koerzitivkraft der fixierten magnetischen Schicht, auf die antiferromagnetische Schicht in Spurbreiten-Richtung, um durch ein unidirektionales Austausch- Koppelmagnetfeld ein Längs-Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen.

13. Fertigungsverfahren für ein Magnetowiderstandselement vom Spin ventil-Typ, umfassend die folgenden Schritte:
auf einem Substrat wird ein Laminat gebildet, bestehend aus einer Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht, einer fixierten magnetischen Schicht, die auf die Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht niederge schlagen und durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht in zwei Teilschichten aufgetrennt ist, einer nichtmagnetischen leitenden Schicht und einer freien magnetischen Schicht, wobei die Schicht anordnung eine Breite entsprechend einer Spurbreite aufweist;
Ausbilden ferromagnetischer Schichten auf beiden Seiten des Lami nats in Richtung der Spurbreite, außerdem Ausbilden einer antifer romagnetischen Schicht aus einem zweiten antiferromagnetischen Material auf der ferromagnetischen Schicht;
Durchführen einer Magnetisierung bei Zimmertemperatur oder einer Wärmebehandlung bei einer ersten Temperatur unter gleichzeitiger Einwirkung eines Magnetfelds auf die fixierte magnetische Schicht, die der Koerzitivkraft-Verstärkungsschicht benachbart ist, und zwar in einer Richtung rechtwinklig zu einer Spurbreite, um die Koerzi tivkraft der fixierten magnetischen Schicht zu steigern durch ein Austausch-Koppelmagnetfeld und so eine Magnetisierungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht festzulegen; und
Wärmebehandeln der antiferromagnetischen Schicht und der ferro magnetischen Schicht während des Anlegens eines Magnetfelds, welches schwächer ist als die Koerzitivkraft der Koerzitivkraft-Ver stärkungsschicht, um dadurch ein Längs-Vormagnetisierungsfeld durch ein unidirektionales Austausch-Koppelmagnetfeld zu erzeugen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Wär mebehandeln in Richtung der Spurbreite bei einer zweiten Wärmebe handlungstemperatur erfolgt, die höher ist als die erste Wärmebe handlungstemperatur.