DE69632123T2

DE69632123T2 - Ferrimagnetischer Magnetowiderstandsensor mit Tunneleffekt

Info

Publication number: DE69632123T2
Application number: DE69632123T
Authority: DE
Inventors: Gregory S. Mountain View Lee; Erjl Stanford Mao
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1996-01-02
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: DE69632123D1; JPH09198622A; EP0783112A2; US5712612A; EP0783112B1; EP0783112A3

Description

Induktive Sensoren, die auf elektromagnetischer Induktion basieren, werden verbreitet bei vielen Anwendungen verwendet, um ein elektrisches Signal ansprechend auf die Intensität eines Magnetfeldes zu erzeugen. Zum Beispiel werden induktive Leseköpfe verwendet, um Informationssignale zu reproduzieren, die magnetisch als Feldstärkeabweichungen in einem magnetischen Aufzeichenmedium aufgezeichnet werden, wie z. B. einem Band oder einer Platte. Bei diesen Aufzeichenanwendungen sowie bei vielen anderen Anwendungen wurden induktive Sensoren kürzlich einer wesentlichen Miniaturisierung unterzogen, um zu ermöglichen, daß dieselben auf Magnetfeldabweichungen immer kleinerer physischer Abmessungen ansprechen. Das Miniaturisieren des induktiven Sensors ermöglicht, daß der Bedarf nach großen Erhöhungen bei der Aufzeichendichte erfüllt wird. Das Miniaturisieren des induktiven Sensors und seiner Aufnahmespule und die entsprechenden Reduzierungen des Betrags an Magnetmaterial, auf das der Sensor anspricht, führen jedoch zu einer Reduzierung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses des elektrischen Signals, das durch den Sensor erzeugt wird. Da der Pegel des elektrischen Signals von der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Sensor und dem Magnetmedium abhängt, kann ein Teil der Reduzierung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses durch Erhöhen von dessen Geschwindigkeit wiedergewonnen werden. Praktische Einschränkungen auf diese Geschwindigkeit schränken jedoch ein, wie weit die Miniaturisierung konsistent mit dem elektrischen Signal erreicht werden kann, das ein akzeptables Signal-zu-Rauschen-Verhältnis aufweist.
Magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren) bieten eine Alternative zu induktiven Sensoren zum Erzeugen eines elektri schen Signals, das ein akzeptables Signal-zu-Rauschen-Verhältnis aufweist, ansprechend auf Magnetfelder geringer Abmessung, wie z. B. die Magnetfelder, die durch die Bits erzeugt werden, die auf einer Computerplatte aufgezeichnet sind. Im Gegensatz zu induktiven Sensoren hängt das elektrische Signal, das durch einen MR-Sensor erzeugt wird, nur von dem statischen Wert des Magnetfeldes ab und ist unabhängig von der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Sensor und dem Aufzeichenmedium.
Die US-A-5,390,061 offenbart einen magnetoresistiven Sensor mit Tunneleffekt, der einen Stapel aus Dünnfilmschichten aufweist und eine im wesentlichen unterschiedliche Koerzivität im Bereich von 10s Oe aufweist.
Frühe magnetoresistive Sensoren basierten auf einem sogenannten anisotropen magnetischen Widerstand (AMR). Das elektrische Signal jedoch, das durch AMR-basierte Sensoren erzeugt wird, weist ein niedriges Signal-zu-Rauschen-Verhältnis auf, da die Änderung des magnetischen Widerstands ΔR/R nur wenige Prozent über einem praktischen Bereich von Magnetfeldintensitäten liegt. Als ein Ergebnis erfordern AMR-basierte Sensoren eine komplexe Decodierungsschaltungsanordnung zum Decodieren des elektrischen Signals, das durch den Sensor erzeugt wird. Das ΔR/R sollte so groß wie möglich sein, um das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis zu maximieren.
Ein gigantischer magnetoresistiver Effekt (GMR) ist ein kürzlich entdecktes Phänomen, das in einer Vielzahl von Materialsystemen auftritt, wie z. B. magnetischen/nicht magnetischen Mehrfachschichten, magnetischen körnigen Zusammensetzungen und manganbasierten Perovskiten. Durch eine allgemein akzeptierte Definition bedeutet GMR ΔR/R > 10 %. Die größte Widerstandsänderung tritt bei Mangan-Perovskiten auf, wo ΔR/R sich 100 % nähern kann. Solche Materialien weisen angeblich einen „kolossalen magnetoresistiven Effekt" oder CMR auf. Leider sind, um solche Wider standsänderungen zu erzeugen, Feldabweichungen von ungefähr 8 Tesla erforderlich. Dies ist ungefähr 4 Größenordnungen größer als die Feldintensitäten, die für ein magnetisches Aufzeichenmedium üblich sind.
GMR-Sensoren, die auf Mehrfachschichten basieren, weisen ein großes ΔR/R bei niedrigen Temperaturen auf, weisen jedoch üblicherweise ein ΔR/R von nur ungefähr 10 % bei Raumtemperatur auf.
MR-Sensoren, die auf all diesen Systemen basieren (GMR-Mehrfachschichten, körnige GMR-Verbundstoffe, CMR-Masse-Perovskite) werden herkömmlich mit dem Magnetfeld und dem Stromfluß in der Ebene des Films betrieben.
Kürzlich, in 74 PHYS. REV. LETT., 3273-3276 (1995), J. S. Moodera, L. R. Kinder, T. M. Wong und R. Meservey, wurden Ferromagnet-Isolator-Ferromagnet- (FM-I-FM) Tunnelübergangsvorrichtungen beschrieben, die einen GMR aufweisen. Bei diesen Vorrichtungen schließt ein Paar von ferromagnetischen Elektroden mit nichtidentischen Koerzivitäten H_c eine Isolierschicht sandwichartig ein, die ausreichend dünn ist, um eine Leitung durch Tunneleffekt zu ermöglichen. Übergangsmetalle und ihre Legierungen werden als das Paar der ferromagnetischen Elektroden verwendet: Zum Beispiel Kobalt und Eisen, Kobalt und Kobalt-Eisen oder Kobalt und Nickel-Eisen können verwendet werden. Sensoren dieses Typs werden mit dem Magnetfeld parallel zu der Ebene des Tunnelübergangs betrieben. Strom wird quer zu der Ebene des Tunnelübergangs von einer Metallelektrode zu der anderen geleitet, durch einen Tunneleffekt durch die Isolierschicht.
Wenn ein FM-I-FM-Sensor einem externen Magnetfeld unterliegt, bleibt die Richtung der Magnetisierung der Elektrode mit der höheren H_c (der „harte" Ferromagnet) fest relativ zu dem externen Feld, wohingegen die der Elektrode mit der niedrigeren H_c (der „weiche" Ferromagnet) zu der Richtung des externen Feldes ausgerichtet wird. Da eine Magnetisierung eine makroskopische Manifestation der Drehausrichtung der Elektroden ist, und da der Tunneleffekt ein drehbewahrender Prozeß ist, fließt ein großer Tunneleffektstrom (niedriger Widerstandszustand) üblicherweise, wenn die Richtungen der Magnetisierung der Elektroden, die den Tunnelübergang begrenzen, parallel sind, und ein kleiner Tunnelstrom (hoher Widerstandszustand) fließt üblicherweise, wenn die Magnetisierungsrichtungen der Elektroden antiparallel sind. Somit wird der Widerstand des Sensors moduliert durch die Intensität und Richtung des externen Magnetfeldes.
Der FM-I-FM-Tunnelsensor leidet unter einigen Nachteilen. Erstens kann der tatsächliche Unterschied der Koerzivität zwischen „harten" und „weichen" Übergangsmetallen relativ klein sein, so daß diese Vorrichtungen mehrere Schalt-(Rücklauf-) Verhalten ansprechend auf Änderungen bei der Magnetfeldintensität zeigen können. Die Koerzivitätsdifferenz könnte möglicherweise erhöht werden, durch Erhöhen der „Härte" des „harten" Ferromagneten unter Verwendung von seltenen Erdmaterialien. Das chemische Reaktionsvermögen während des Verarbeitens solcher Materialien kann jedoch ein Problem sein. Zweitens, wie bei den GMR-Mehrschichtsensoren, ist das maximale ΔR/R der FM-I-FM-Tunnelsensoren ungefähr 25 % bei niedrigen Temperaturen und fällt auf ungefähr 10 % bei Raumtemperatur.
Man geht davon aus, daß das maximale ΔR/R eines FM-I-FM-Tunnelsensors durch nachfolgende Gleichung definiert ist:
wobei P_i die fraktionierte Spinpolarisierung der Elektrode i ist. Es ist ersichtlich, daß damit ΔR/R sich 100 % annähert, P₁ und P₂ beide 1 erreichen müssen. Bei Übergangsme tallen und ihren Legierungen ist P_i geringer als 0,5. Zum Beispiel ist es für Kobalt und Kobalt-Eisen 0,3 bzw. 0,47.
Die P_i der Übergangsmetalle und von seltenen Erdelementen nähert sich nicht 1, aufgrund der relativ niedrigen Spin-Korrelation der Elektronen, die die elektrische Leitfähigkeit dieser Elemente liefern. Der Magnetismus von Eisen, Kobalt und Nickel entsteht aufgrund der 100%-Spinausrichtung der Ionen. Jedes Ion weist einen Netto-Spin auf, der die Summe der lokalisierten Spins der 3d-Elektronen ist. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Elemente andererseits erfolgt aufgrund von 4s Wanderelektronen. Diese Wanderelektronen sind nur teilweise spinkorreliert mit den 3d-Elektronen bei einer beliebigen Temperatur, insbesondere da die Atomkonfiguration tatsächlich 4s² ist.
Der Magnetismus von seltenen Erdmetallen liegt an den äußerst ortsgebundenen 4f-Elektronen, während die elektrische Leitfähigkeit dieser Elemente an den 6s²-Elektronen liegt. Folglich nähert sich P_i der seltenen Erdmetalle ebenfalls nicht 1.
Somit, obwohl magnetoresistive Sensoren oberflächlich als Magnetfeldsensoren anziehend erscheinen, kann keiner der bekannten magnetoresistiven Sensoren ein elektrisches Signal mit einem hohen Signal-zu-Rauschen-Verhältnis ansprechend auf Magnetfelder in dem Intensitätsbereich von 10s von Oe erzeugen, typisch für die Intensität der Magnetfelder, die in magnetischen Aufzeichenmedien angetroffen werden, wie z. B. Platten und Bändern. Die elektrischen Signale, die durch bekannte magnetoresistive Sensoren ansprechend auf Magnetfelder in diesem Intensitätsbereich erzeugt werden, weisen ein niedriges Signal-zu-Rauschen-Verhältnis auf, da das ΔR/R solcher Sensoren 10 % bei Raumtemperatur nicht überschreitet.
Die Erfindung schafft einen ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensor mit Tunneleffekt, der ein ΔR/R viel größer als das von bekannten magnetoresistiven Sensoren aufweist. Mit geeigneten Elektrodenmaterialien kann der ferrimagnetische magnetoresistive Sensor mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung einer wesentlichen Änderung des Widerstands unterzogen werden, ansprechend auf ein Magnetfeld im Intensitätsbereich von 10s von Oe, was typisch für die Intensität der Magnetfelder ist, die bei magnetischen Aufzeichenmedien angetroffen werden, wie z. B. Platten und Bändern.
Ein ferrimagnetischer magnetoresistiver Sensor mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung ist aus einem Stapel aus Dünnfilmschichten aufgebaut, die jeweils eine Schicht aus einem ferrimagnetischen Material, eine Schicht aus einem magnetischen Material und eine Schicht eines Isolators umfassen, die zwischen der Schicht des ferrimagnetischen Materials und der Schicht des magnetischen Materials angeordnet ist. Das ferrimagnetische Material ist leitfähig. Das magnetische Material ist ebenfalls leitfähig und weist eine Koerzivität auf, die im wesentlichen unterschiedlich von der des ferrimagnetischen Materials ist. Die Isolierschicht weist eine Dicke auf, die ausreichend klein ist, um einen Tunneleffekt aus Stromträgern zwischen der Schicht des ferrimagnetischen Materials und der Schicht des magnetischen Materials zu ermöglichen.
Die Schicht des magnetischen Materials kann eine Schicht eines ferromagnetischen Materials sein, wie z. B. Kobalt. Dieses ferromagnetische Material kann eine Koerzivität aufweisen, die geringer ist oder größer ist als die des ferrimagnetischen Materials. Zum Beispiel, in dem letzten Fall, kann die Schicht des ferrimagnetischen Materials eine hochkoerzitive Form aus Magnetit umfassen, und die Schicht des magnetischen Materials kann Kobalt umfassen, das eine Koerzivität aufweist, die geringer ist als die der hochkoerzitiven Form aus Magnetit. In dem letzteren Fall kann die Schicht des ferrimagnetischen Materials eine niedrig koerzitive Form aus Magnetit umfassen und die Schicht des magnetischen Materials kann ein ferromagnetisches Material umfassen, das eine größere Koerzivität aufweist als die der niedrigkoerzitiven Form aus Magnetit. Die niedrigkoerzitive Form aus Magnetit kann Kobalt-dotiert sein, von der Form Fe₃__XCo_XO₄, wobei 0, 05 ≤ x ≤ 0, 15.
Als eine weitere Alternative kann die Schicht des ferrimagnetischen Materials eine hochkoerzitive Form aus Magnetit umfassen und die Schicht des magnetischen Materials kann ein ferrimagnetisches Material umfassen, das eine niedrigere Koerzivität aufweist als die der hochkoerzitiven Form aus Magnetit.
Bei einer wiederum weiteren Alternative kann die Schicht des ferrimagnetischen Materials eine niedrige Koerzivität aufweisen und die Schicht des magnetischen Materials kann ein ferrimagnetisches Material umfassen, das eine Koerzivität aufweist ähnlich zu der der Schicht des ferrimagnetischen Materials. Die effektive Koerzivität der Schicht des magnetischen Materials ist unterschiedlich hergestellt zu der Koerzivität der Schicht des ferrimagnetischen Materials, durch eine Pinningschicht, die zusätzlich in dem Stapel umfaßt ist. Die Pinningschicht ist eine Schicht aus einem ferromagnetischen oder antiferromagnetischen Material, das eine Koerzivität aufweist, größer als die Koerzivitäten des ferrimagnetischen Materials und des magnetischen Materials. Die Pinningschicht ist in dem Stapel benachbart zu der Schicht des magnetischen Materials und entfernt von der Schicht des Isolators angeordnet.
Die Schicht des Isolators kann ein isolierendes Oxid umfassen, insbesondere Aluminiumoxid.
Die Erfindung schafft ferner ein erstes Verfahren zum Herstellen eines ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt. Bei dem Verfahren wird eine Schicht eines ferrimagnetischen Materials und eines magnetischen Materials auf das Substrat als eine erste Schicht aufgebracht. Eine Schicht eines Isolators wird auf die erste Schicht aufgebracht und eine Schicht des anderen des ferrimagnetischen Materials und des magnetischen Materials wird auf den Isolator als eine zweite Schicht aufgebracht. Die Schicht des Isolators wird mit einer Dicke aufgebracht, die ausreichend klein ist, um einen Tunneleffekt aus Stromträgern zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht zu ermöglichen. Magnetit kann als die erste Schicht aufgebracht sein und ein isolierendes Oxid kann als der Isolator aufgebracht sein und Kobalt kann als die zweite Schicht aufgebracht sein.
Ein ferrimagnetisches Material mit einer Koerzivität im wesentlichen ähnlich zu der des ferrimagnetischen Materials, das als die erste Schicht aufgebracht wird, kann als die zweite Schicht aufgebracht werden und derselben kann eine effektive Koerzivität gegeben werden, die sich von der der ersten Schicht unterscheidet, durch Aufbringen einer Pinningschicht eines ferromagnetischen oder antiferromagnetischen Materials auf die zweite Schicht, die eine Koerzivität aufweist, die im wesentlichen größer ist als die Koerzivitäten der ersten Schicht und der zweiten Schicht.
Schließlich schafft die Erfindung ein zweites Verfahren zum Herstellen eines ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt. Bei dem Verfahren wird ein Substrat, auf das eine Schicht aus Ferrioxid aufgebracht wird, erwärmt, um die Schicht des Ferrioxids zu einer Schicht aus Magnetit zu reduzieren. Eine Schicht eines Isolators wird auf der Schicht aus Magnetit gebildet und eine Schicht eines magnetischen Materials mit einer Koerzivität im wesentlichen unterschiedlich von der Koerzivität des Magnetits wird auf den Isolator aufgebracht. Die Schicht des Isolators wird mit einer Dicke gebildet, die ausreichend gering ist, um einen Tunneleffekt aus Stromträgern zwischen der Schicht des Magnetits und der Schicht des magnetischen Materials zu ermöglichen.
Die Schicht des Isolators kann auf der Schicht des Magnetits gebildet werden, durch Aufbringen einer Schicht aus Aluminium auf die Schicht aus Ferrioxid. Dann, wenn das Substrat erwärmt wird, um die Schicht aus Ferrioxid zu der Schicht aus Magnetit zu reduzieren, oxidiert freier Sauerstoff, der durch die Reduktion des Ferrioxid erzeugt wird, die Schicht des Aluminium, um eine Pinhole-freie Schicht aus Aluminiumoxid als die Schicht des Isolators zu erzeugen.
Das Substrat kann eine Schicht einer Mischung aus Ferrioxid und Kobaltoxid aufgebracht auf demselben aufweisen, anstelle der Schicht des Ferrioxid. Die Mischung enthält Ferrioxid und Kobaltoxid in einem solchen Verhältnis, daß nach dem Erwärmungsschritt das Magnetit Kobalt-dotiert ist und in der Form Fe₃__xCo_xO₄ vorliegt, wobei 0, 05 ≤ x ≤ 0, 15.
Die Schicht der Mischung aus Ferrioxid und Kobaltoxid kann auf das Substrat aufgebracht werden, durch Mischen einer Aufschleuderlösung aus Ferrioxid und einer Aufschleuderlösung aus Kobaltoxid, um eine gemischte Aufschleuderlösung zu bilden, die gemischte Aufschleuderlösung auf das Substrat aufzuschleudern und das Substrat zu backen.
Damit die Erfindung ohne weiteres verständlich ist, werden verschiedene exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung ist.
2 schematisch die Ionenspinanordnung des Magnetits zeigt, das die ferrimagnetische Elektrode des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 die detaillierten elektronischen Konfigurationen des Fe²⁺-Zustands und Fe³⁺-Zustands des Magnetits zeigt, das die ferrimagnetische Elektrode des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der vorliegenden Erfindung bildet.
4 eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung ist.
5 eine Ansicht einer Version des ersten Ausführungsbeispiels des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung ist, bei der der Sensor durch nachfolgendes Aufbringen von Schichten eines Materials auf ein Substrat gebildet wird.
6A – 6D ein erstes Verfahren gemäß der Erfindung darstellen, zum Herstellen eines ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung.
7A – 7C Teile eines zweiten Verfahrens gemäß der Erfindung darstellen, zum Herstellen eines ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung.
8A die Hysteresekurve für eine Schicht aus kobaltgeformtem synthetischem Magnetit zeigt.
8B die Hysteresekurve für eine ausgeheilte Schicht aus kobaltgeformtem synthetischen Magnetit zeigt.
Die Erfindung schafft eine Anzahl von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen eines ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt, der ein elektrisches Signal mit einem hohen Signal-zu-Rauschen-Verhältnis ansprechend auf ein Magnetfeld erzeugt. Mit geeigneten Elektrodenmaterialien kann der ferrimagnetische magnetoresistive Sensor mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung das elektrische Signal ansprechend auf ein Magnetfeld in dem Intensitätsbereich von 10s von Oe erzeugen, was typisch für die Intensität der Magnetfelder ist, die auf magnetischen Aufzeichenmedien aufgezeichnet werden, wie z. B. Platten und Bändern. Die ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensoren mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung sind ferner geeignet zur Verwendung bei anderen Anwendungen, die Magnetfeldintensitäten in diesem Bereich umfassen. Ferner können durch Verwenden von Elektrodenmaterialien mit höherer Koerzivität ferrimagnetische magnetoresistive Sensoren mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung geeignet für die Verwendung bei Anwendungen hergestellt werden, die Magnetfeldintensitäten umfassen, die wesentlich größer sind als dieser Bereich.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors 10 mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung ist in 1 gezeigt. In 1 ist die Isolierschicht 16, die ausreichend dünn ist, um eine Leitung durch Tunneleffekt zu ermöglichen, sandwichartig zwischen der ferrimagnetischen Elektrode 12 und der Magnetelektrode 14 angeordnet. Die ferrimagnetische Elektrode und die Magnetelektrode sind aus Materialien hergestellt, die nicht identische Koerzivitäten H_c aufweisen. Die ferrimagnetische Elektrode ist aus einem leitfähigen ferrimagnetischen Material hergestellt. Die Magnetelektrode ist aus einem leitfähigen Magnetmaterial hergestellt. Strom wird quer zu der Ebene der Isolierschicht von einer Elektrode zu der anderen durch Stromträger geleitet, die einen Tunneleffekt durch die Isolierschicht bilden.
Die ferrimagnetische Elektrode 12 umfaßt eine Schicht eines ferrimagnetischen Materials. Ein ferrimagnetisches Material ist ein Material, bei dem einige Ionen ein magnetisches Moment antiparallel zu anderen aufweisen, aber mit unvollständiger Aufhebung, was dazu führt, daß das Material magnetische Eigenschaften aufweist. Um zu ermöglichen, daß die ferrimagnetische Elektrode als eine Elektrode funktioniert, muß die ferrimagnetische Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen ferrimagnetischen Material hergestellt sein. Ferrite sind ferrimagnetische Materialien, die die chemische Formel MO+Fe₂O₃ aufweisen, wobei M ein zweiwertiges Kation ist, üblicherweise Zn, Cd, Fe, Ni, Cu, Co oder Mg. Die meisten Ferrite sind Isolatoren, aber das inverse Spinel-Ferrit Fe₃O₄ ist eines der wenigen ferrimagnetischen Materialien, das ein mäßiger elektrischer Leiter ist, und ist somit das bevorzugte Material der ferrimagnetischen Elektrode. Ein inverses Spinel-Ferrit ist ferner als Magnetit oder Schwarzeisenoxid bekannt, und wird ebenfalls geschrieben als FeO+Fe₂O₃. Viele Spinel-Kalzogenide (Sulfide) können ebenfalls verwendet werden. Chromiumdioxid (CrO₂) ist eine zusätzliche Alternative.
Die Magnetelektrode 14 ist eine Schicht eines Magnetmaterials, das eine unterschiedliche Koerzivität von der der ferrimagnetischen Elektrode 12 aufweist. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel wurde eine Schicht aus Kobalt, d. h. einem ferromagnetischen Material, als die Magnetelektrode 14 verwendet. Alternative Materialien, die für die Magnetelektrode 14 verwendet werden können, umfassen eine Eisen-Kobalt-Legierung oder eine Nickel-Eisen-Legierung, wie z. B. Permalloy. Als eine weitere Alternative kann die Magnetelektrode 14 aus einem ferrimagnetischen Material sein, das eine unterschiedliche effektive Koerzivität zu der des ferrimagnetischen Materials der ferrimagnetischen Elektrode 12 aufweist. Zum Beispiel kann Kobalt-dotiertes Magnetit für die Magnetelektrode verwendet werden. Das Verwenden eines ferrimagnetischen Materials für die Magnetelektrode 14 sowie für die ferrimagnetische Elektrode 12 ermöglicht, daß der Sensor 10 ein ΔR/R aufweist, das sich 100 % nähert.
Die Isolierschicht 16 ist sandwichartig zwischen der ferrimagnetischen Elektrode 12 und der Magnetelektrode 14 angeordnet. Die Isolierschicht muß ausreichend dünn sein, um zu ermöglichen, daß Strom zwischen der ferrimagnetischen Elektrode 12 und der Magnetelektrode 14 durch einen Tunneleffekt fließt, und muß ausreichend dick sein, um zu verhindern, daß Strom zwischen den Elektroden 12 und 14 durch direkten Kontakt zwischen den Elektroden durch Poren bzw. Pinholes in der Isolierschicht fließt. Die Isolierschicht kann eine dünne, Pinhole-freie Schicht eines Isolationsoxids sein, wie z. B. Magnesiumoxid, oder eines anderen geeigneten isolierenden Materials. Zum Beispiel könnte hydriertes amorphes Silizium (I-Si:H) verwendet werden. Bei einer vollständig epitaxialen Struktur, die synthetisches Magnetit und Kobalt-dotiertes synthetisches Magnetit als die Elektroden verwendet, könnte Spinel (MgAl₂O₄) als die Isolierschicht verwendet werden. Wie jedoch nachfolgend beschrieben wird, werden verschiedene Vorteile durch das Verwenden von Aluminiumoxid als die Isolierschicht erhalten.
Elektrische Verbindungen werden zu den Elektroden 12 und 14 durch die Leiter hergestellt, die schematisch durch die Leiter 18 bzw. 20 dargestellt sind.
Der magnetoresistive Sensor 10 wird mit dem externen magnetischen Feld entweder parallel zu oder senkrecht zu der Ebene der Isolierschicht 16 betrieben. Strom wird quer zu der Ebene der Isolierschicht von einer Elektrode zu der anderen durch einen Tunneleffekt durch die Isolierschicht geleitet. Die Auswahl der Orientierung der Isolierschicht relativ zu dem externen Magnetfeld hängt primär von der Richtung der Magnetisierungsachse des ferrimagnetischen Materials der ferrimagnetischen Elektrode 12 ab. Andere Betrachtungen umfassen die Geometrie des Sensors.
Wenn der ferrimagnetische magnetoresistive Sensor 10 mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung einem externen Magnetfeld unterliegt, bleibt die Magnetisierungsrichtung der Elektrode mit der höheren H_c fest relativ zu dem externen Feld, wohingegen die der Elektrode mit der niedrigern H_c sich selbst mit der Richtung des externen Feldes ausrichtet. Da die Magnetisierung eine makroskopische Manifestation der Spinausrichtung der Elektronen ist, und da ein Tunneleffekt ein Spin-bewahrender Prozeß ist, hängt der Tunnelstrom von der relativen Ausrichtung (parallel oder antiparallel) der Richtungen der Magnetisierung an gegenüberliegenden Seiten des Tunnelübergangs ab. Ein großer Tunnelstrom fließt (niedriger Widerstandszustand), wenn die Richtungen der Magnetisierung auf gegenüberliegenden Seiten des Tunnelübergangs in einer ersten relativen Orientierung vorliegen, und ein geringer Tunnelstrom fließt (hoher Widerstandszustand), wenn die Richtungen der Magnetisierung an gegenüberliegenden Seiten des Tunnelübergangs in einer zweiten, gegenüberliegenden relativen Orientierung vorliegen. Somit wird der Widerstand des Sensors moduliert durch die Intensität und die Richtung des externen Magnetfeldes. Die erste relative Orientierung ist antiparallel wenn die Richtung der Magnetisierung antiparallel zu der Richtung der Spinpolarisierung in dem Material von einer und nur einer der Elektroden ist. Zum Beispiel, bei Magnetit, ist die Richtung der Magnetisierung antiparallel zu der Richtung der Spinpolarisierung, so daß die erste relative Orientierung antiparallel in einem Sensor ist, in dem die ferrimagnetische Elektrode aus Magnetit und die Magnetelektrode aus einem ferrimagnetischen Material hergestellt ist, wie z. B. Kobalt, Eisen, Nickel oder Legierungen dieser Metalle.
Der ferrimagnetische magnetoresistive Sensor 10 mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung weist verschiedene Vorteile im Vergleich zu bekannten magnetoresistiven FM-I-FM-Sensoren mit Tunneleffekt auf. Der primäre Vorteil ist, daß das Verwenden eines ferrimagnetischen Materials für eine der Elektroden 12 und 14 des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung zu einem ΔR/R von üblicherweise 50 % bei allen Temperaturen führt, und unter Verwendung eines ferrimagnetischen Materials für beide Elektroden zu einem ΔR/R führt, das bis zu 100 betragen kann. Zusätzlich dazu können Materialien mit einer bedeutenden Differenz bei der Koerzivität für die ferrimagnetische Elektrode 12 und die magnetische Elektrode 14 verwendet werden, die ohne weiteres erhältlich sind. Dies ermöglicht, daß der Sensor 10 einen annähernd nichthystereseartigen Widerstand über einer Magnetfeld-Intensitätscharakteristik aufweist. Schließlich ist eine Anzahl von Materialien mit Koerzivitäten im Bereich von 10s von Oersteds erhältlich zur Verwendung entweder als die ferrimagnetische Elektrode oder die Magnetelektrode. Dies ermöglicht, daß ferrimagnetische magnetoresistive Sensoren mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung verwendet werden, um magnetische Aufzeichenmedien zu reproduzieren.
Das maximale ΔR/R des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung ist durch nachfolgende Gleichung definiert:
wobei P_i die Bruch-Spinpolarisierung der Elektrode i ist.
2, hergeleitet aus C. Kittel, INTRODUCTION TO SOLID STATE PHYSICS, 5. Auflage, John Wiley & Sons, New York, (1976) Seite 475, zeigt schematisch die Ionenspinanordnung von Magnetit und stellt den Mechanismus dar, der Magnetit seine ferrimagnetischen Eigenschaften verleiht. Ein Einheitswürfel eines kubischen Ferrits, wie z. B. Magnetit, weist acht besetzte vierflächige Stellen 50 und 16 besetzte achtflächige Stellen 52 auf. Das Magnetit weist tatsächlich eine sogenannte inverse Spinel-Struktur auf, bei der die vierflächigen Stellen ausschließlich durch Fe³⁺- (Ferri-) Ionen 54 belegt sind, während die achtflächigen Stellen zur Hälfte durch Fe²⁺- (Ferro-) Ionen 56 und zur Hälfte durch die Fe³⁺- (Ferri-) Ionen 58 belegt sind.
Austauschwechselwirkungen zwischen den Stellen bevorzugen eine antiparallele Ausrichtung der Spins, verbunden durch die Wechselwirkung. Von den verschiedenen möglichen Wechselwirkungen sind jene zwischen den vierflächigen Stellen 50 und den achtflächigen Stellen 52 am stärksten. Um zu ermöglichen, daß die Spins an den vierflächigen Stellen eine antiparallele Ausrichtung zu den Spins an den achtflächigen Stellen aufweisen, müssen die Spins alle Ionen 54 an den vierflächigen Stellen parallel zueinander und die Spins aller Ionen 56 und 58 an den achtflächigen Stellen parallel zueinander sein. Als ein Ergebnis sind die magnetischen Momente der Fe³⁺-Ionen 54 an den vierflächigen Stellen antiparallel zu jenen der Fe³⁺-Ionen 58 an den achtflächigen Stellen und heben sich daher auf. Die magnetischen Eigenschaften sind daher nur durch die magnetischen Momente der Fe²⁺-Ionen 56 definiert.
3 zeigt die detaillierten elektronischen Konfigurationen des Fe²⁺-Zustands 60 und des Fe³⁺-Zustands 62 von Magnetit. Magnetit ist ein mäßiger elektrische Leiter (Y ≫ 4 mA-cm bei Raumtemperatur), da das einzelne Spin-up-Elektron 64 an einer der achtflächigen Fe²⁺-Stellen zu einer benachbarten achtflächigen Fe³⁺-Stellen springen kann. Das Verlassen des Elektrons wandelt die vorherige Fe²⁺-Stelle in eine Fe³⁺-Stelle um, während das Ankommen des Elektrons die frühere Fe³⁺-Stelle in eine Fe²⁺-Stelle umwandelt. Die Bewahrung des Winkelmoments und des Pauli-Ausschlußprinzips verursacht, daß das Elektron als Spin-up an der neuen Stelle verbleibt. Ferner verbieten die Bewahrung eines Winkelmoments und des Pauli-Ausschlußprinzips, daß die vierflächigen Ferri-Spin-up-Orte 50 (2) in diesem Leitmechanismus umfaßt werden, wobei diese entgegengesetzt magnetisierten Ionen „Zuschauer" bleiben.
Somit, obwohl Magnetit Ionenmagnetisierungs-Teilgitter aufweist, die wesentliche antiparallele Komponenten aufweisen, was aus dessen Eigenschaft eines ferrimagnetischen Materials resultiert, wird eine elektrische Leitung in dem Magnetit ausschließlich durch Elektronen durchgeführt, die dieselbe Spin-Komponente aufweisen, nämlich die einsamen Spin-up-Elektronen 64 an den achtflächigen Stellen in der Übereinkunft aus 3. Somit ist das relevante P_i in Gleichung (2) die Spin-Polarisierung der stromtragenden Elektronen ausschließlich nämlich der einsamen Lone-Spinup-Elektronen 64. Als Ergebnis ist P_i 1 für Magnetit.
Eine Untersuchung von Gleichung (2) zeigt, daß das ΔR/R des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors 10 mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung sich 100 % nähern kann, wenn die ferrimagnetische Elektrode 12 und die Magnetelektrode 14 beide aus einem leitfähigen ferrimagnetischen Material hergestellt sind, wie z. B. Magnetit, da beide Elektroden dann einen P_i von 1 aufweisen. Sogar wenn die Magnetelektrode aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist, wie z. B. Kobalt, das einen P_i von viel weniger als 1 aufweist, gibt die Einheit P_i der ferrimagnetischen Elektrode dem Sensor ein viel größeres ΔR/R als der von bekannten magnetoresistiven Sensoren. Zum Beispiel, wenn die Magnetelektrode aus Kobalt hergestellt ist, das einen Wert P_i von 0,3 aufweist, kann der ferrimagnetische magnetoresistive Sensor mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung ein Verhältnis ΔR/R bis zu ungefähr 45 % aufweisen.
Bei dem Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, weist die ferrimagnetische Elektrode 12 vorzugsweise eine Dicke zwischen 10 – 100 nm (100 – 1.000 Å) auf; die Magnetelektrode 14 weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 3 – 100 nm (30 – 1.000 Å) auf; und die Isolierschicht 16 weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 – 2 nm (10 – 20 Å) auf.
Die Aktivität des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung tritt in Regionen der ferrimagnetischen Elektrode 12 und der Magnetelektrode 14 auf, die direkt benachbart zu der Isolierschicht 16 sind. Somit kann die Dicke der ferrimagnetischen Elektrode und der Magnetelektrode zu einer Größenordnung von 1 nm (10 Å) reduziert werden, wenn das ferrimagnetische Material bzw. das Magnetmaterial durch eine Schicht eines guten elektrischen Leiters verstärkt ist, wie z. B. Gold (siehe 5). Diese Struktur reduziert den parasitären Widerstand der Elektroden. Ein Verstärken des ferrimagnetischen Materials und des Magnetmaterials mit einer Schicht eines guten elektrischen Leiters ist ebenfalls bevorzugt, sogar wenn die Schichten dieser Materialien relativ dick sind.
Natürliches Magnetit weist eine Koerzivität von ungefähr 10 Oe auf, so daß ein ferrimagnetischer magnetoresistiver. Sensor mit Tunneleffekt, der Elektroden mit einer unterschiedlichen Koerzivität aufweist, hergestellt werden kann, durch Bilden der ferrimagnetischen Elektrode 12 aus natürlichem Magnetit und der Magnetelektrode 14 aus einem ferromagnetischen Material, wie z. B. Kobalt, das eine Koerzivität von ungefähr 30 Oe aufweist.
Wie oben erwähnt wurde, kann das Verhältnis ΔR/R des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung erhöht werden, bis zu annähernd 100 %, durch Herstellen der Magnetelektrode 14 auch aus einem ferritmagnetischen Material. Die Koerzivität des ferrimagnetischen Materials der Magnetelektrode 14 muß sich von der des ferrimagnetischen Materials der ferrimagnetischen Elektrode 12 unterscheiden. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, durch Verwenden einer Schicht aus synthetischem Magnetit als die ferrimagnetische Elektrode 12 und Verwenden einer Schicht aus natürlichem Magnetit als die Magnetelektrode 14. Synthetisches Magnetit weist eine Koerzivität von ungefähr 500 Oe auf, viel größer als die von natürlichem Magnetit, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird.
Alternativ und vorzugsweise kann die ferrimagnetische Elektrode 12 eine Schicht eines synthetischen Magnetits sein und die Magnetelektrode 14 kann eine Schicht aus Kobalt-dotiertem synthetischen Magnetit sein, C_oxFe₃__xO₄, wobei 0,05 ≤ x ≤ 0,15. Kobalt-dotiertes synthetisches Magnetit weist eine Koerzivität ähnlich zu der von natürlichem Magnetit auf, hat jedoch den Vorteil, daß es steuerbar verarbeitet werden kann, um die Steigung seiner Magnetisierung über eine Feldintensitätscharakteristik zu bestimmen. Insbesondere, wie nachfolgend detaillierter Bezug nehmend auf 8A und 8B beschrieben wird, kann Kobalt-dotiertes synthetisches Magnetit steuerbar verarbeitet werden, um demselben eine steilere Kurve von Magnetisierung über Feldintensität als natürlichem Magnetit zu geben. Diese Kurve hat den Vorteil, daß eine relativ kleine Änderung der Feldintensität eine große Änderung der Magnetisierung einer Elektrode erzeugt, die aus Kobalt-dotiertem synthetischen Magnetit hergestellt ist.
Das Verwenden von synthetischem Magnetit und Kobaltdotiertem synthetischen Magnetit an gegenüberliegenden Seiten der Isolierschicht 16 in dem ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensor 10 mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung führt zu einem Sensor, der einer großen Widerstandsänderung ansprechend auf ein Magnetfeld unterzogen wird, das eine Intensität im Bereich von 10 Oe aufweist. Ein solcher Sensor ist gut geeignet zum Lesen eines magnetischen Speicherungsmediums. Die große Widerstandsänderung ansprechend auf ein Magnetfeld mit einer Intensität im Bereich von 10 Oe resultiert aus dem Sensor, der ferrimagnetische Materialien an gegenüberliegenden Seiten der Isolierschicht aufweist, was ein Verhältnis ΔR/R nahe an 100 % ergibt, und resultiert zusätzlich daraus, dass die zwei ferrimagnetischen Materialien eine große Koerzivitätdifferenz aufweisen, und dass das Kobalt-dotierte synthetische Magnetit eine Koerzivität von ungefähr 10 Oe und eine steile Kurve von Magnetisierung über Feldintensität aufweist.
Eine alternative Struktur für einen ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensor mit Tunneleffekt mit ferrimagnetischen Materialien mit unterschiedlichen effektiven Koerzivitäten an gegenüberliegenden Seiten der Isolierschicht ist in 4 gezeigt. Diese Figur zeigt den ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensor 30 mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung. Dabei sind die ferrimagnetische Elektrode 12 und die Magnetelektrode 14 aus unterschiedlichen ferrimagnetischen Materialien mit ähnlichen Koerzivitäten hergestellt, oder sind beide aus demselben ferrimagnetischen Material hergestellt, weisen jedoch effektiv die wesentlich unterschiedlichen Koerzivitäten auf, die für den ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensor mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung zum arbeiten erforderlich sind.
Bei dem ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensor 30 mit Tunneleffekt sind die ferrimagnetische Elektrode 12 und die Magnetelektrode 14 beide aus ferrimagnetischen Materialien hergestellt, die im wesentlichen ähnliche Koerzivitäten aufweisen. Vorzugsweise sind die ferrimagnetische Elektrode 12 und die Magnetelektrode 14 beide aus dem selben ferrimagnetischen Material mit niedriger Koerzivität hergestellt, wie z. B. natürlichem Magnetit oder Kobalt-dotiertem synthetischen Magnetit. Der Sensor 30 umfaßt zusätzlich die Pinning-Schicht 32, die in Kontakt mit der Magnetelektrode 14 gebildet ist. Die Pinning-Schicht 32 ist eine Schicht aus einem ferromagnetischen Material, wie z. B. Eisen, Kobalt oder vorzugsweise einer Eisen-Kobalt-Legierung, oder ist eine Schicht aus einem antiferromagnetischen Material, wie z. B. Mangan-Nickel. Das Material der Pinning-Schicht weist eine Koerzivität auf, die wesentlich größer ist als die der Magnetelektrode 14.
Eine Austauschkopplung zwischen dem ferromagnetischen oder antiferromagnetischen Material der Pinning-Schicht 32 und der Magnetelektrode 14 „pinnt" bzw. „durchlöchert" das ferromagnetische Material der Magnetelektrode 14. Als Ergebnis wird die Richtung der Magnetisierung der Magnetelektrode nicht durch ein externes Magnetfeld geändert, das ausreichend Intensität aufweist, um die Richtung der Magnetisierung der ferrimagnetischen Elektrode 12 umzuschalten. Aufgrund des Vorhandenseins der Pinning-Schicht ändert das externe Magnetfeld die Richtung der Magnetisierung von ausschließlich der ferrimagnetischen Elektrode, während die Richtung der Magnetisierung der Magnetelektrode unverändert bleibt. Somit ändert das Vorhandensein des externen Magnetfelds den Widerstand des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors 30 mit Tunneleffekt von seinem Hochwiderstandszustand zu seinem Niedrigwiderstandszustand. Da die Materialien an gegenüberliegenden Seiten des Tunnelübergangs die zwei ferrimagnetischen Materialien mit einem Wert P_i von 1 sind, ist das Verhältnis ΔR/R des magnetoresistiven Sensors 30 nahe an 100 %.
5 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel 110 des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors 10 mit Tunneleffekt, der in 1 gezeigt ist. In 5 sind Elemente, die jenen aus 1 entsprechen, durch die selben Bezugszeichen plus 100 angezeigt.
Der ferrimagnetische magnetoresistive Sensor 110 mit Tunneleffekt ist auf dem Substrat 122, einer Schicht aus Glas, Silizium oder einem anderen geeigneten Material gebildet. Die erste leitfähige Schicht 124 wird auf das Substrat aufgebracht, um zu ermöglichen, daß eine elektrische Verbindung zu der ferrimagnetischen Elektrode 112 hergestellt wird. Die erste leitfähige Schicht ist vorzugsweise eine Schicht aus Gold, aber andere gute Leiter, wie z. B. Aluminium, können verwendet werden. Die ferrimagnetische Elektrode 112 wird dann gebildet durch Aufbringen einer dünnen Schicht eines ferrimagnetischen Materials, wie z. B. Magnetit, auf einen Teil der ersten leitfähigen Schicht 124. Der Teil der ersten leitfähigen Schicht, auf den die ferri magnetische Elektrode nicht aufgebracht wird, liefert die Verbindungsanschlußfläche 126 an die der Leiter 118 später angebracht wird.
Die Oberfläche der ferrimagnetischen Elektrode 112 wird dann durch die Isolierschicht 116 abgedeckt. Die Isolierschicht kann z. B. eine Schicht eines isolierenden Oxids sein, wie z. B. Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid, und kann z. B. durch Zerstäuben, Laserablation oder Bildung vor Ort aufgebracht werden. Die Isolierschicht ist mit einer Dicke gebildet, die ausreichend dünn ist, um einen Tunnel aus Stromträgern durch die Schicht zu ermöglichen, und ist ausreichend dick, um einen physischen Kontakt zu verhindern, und somit ein Lecken oder Kurzschließen, zwischen der ferrimagnetischen Elektrode 112 und der Magnetelektrode 114. Eine Dicke von 1,2 nm (12 Å) wurde bei einem praktischen Ausführungsbeispiel verwendet.
Die Magnetelektrode 114 ist z. B. eine dünne Schicht aus einem ferromagnetischen Material, wie z. B. Kobalt oder einer Eisen-Kobalt-Legierung, und kann z. B. durch Verdampfung auf die Isolierschicht 116 aufgebracht werden.
Schließlich, wenn nötig, kann die zweite leitfähige Schicht 128 auf die Magnetelektrode 114 aufgebracht werden, um eine Verbindung des Leiters 120 mit der Magnetelektrode zu unterstützen. Alternativ kann der Leiter 120 direkt mit der Magnetelektrode verbunden sein und die zweite leitfähige Schicht kann weggelassen werden.
Ein praktisches Ausführungsbeispiel des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors 30 mit Tunneleffekt, der in 4 gezeigt ist, kann ähnlich zu dem praktischen Ausführungsbeispiel strukturiert sein, das in 5 gezeigt ist, außer daß ein ferrimagnetisches Material auf die Isolierschicht 116 als die Magnetelektrode 114 aufgebracht wird, anstelle eines ferromagnetischen Materials. Eine zusätzliche Pinning-Schicht (nicht gezeigt) wird dann auf die Magnetelektrode aufgebracht. Dies erhöht die effektive Koerzivität des ferrimagnetischen Materials der Magnetelektrode und gibt der Magnetelektrode eine effektive Koerzivität, die sich wesentlich von der Koerzivität der ferrimagnetischen Elektrode unterscheidet.
Aufschleuderlösungen, die ermöglichen, daß ein dünner Film aus Ferrioxid auf ein Substrat aufgebracht wird, sind ohne weiteres von Laborversorgungshäusern erhältlich, und somit ist die Bildung derselben magnetischen Elektrode 112 durch Verwenden einer solchen handelsüblich erhältlichen Ferrioxidlösung zum Aufschleudern als Startpunkt vorteilhafter. Dieser Prozeß ist in 6A – 6D dargestellt.
6A – 6D stellen den Prozeß gemäß der Erfindung dar, zum Herstellen der Basisschichtstruktur, die zum Herstellen des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung verwendet wird. 6A zeigt ein Stück eines monokristallinen Siliziums als ein Beispiel des Substrats 122. Die Oberfläche des Substrats wird oxidiert, um die Schicht aus Siliziumdioxid 132 zu bilden. Die Schicht der Metallisierung 130 wird dann auf die Schicht aus Siliziumdioxid 132 aufgebracht. Vorzugsweise ist die Schicht der Metallisierung 130 aus einer dünnen Schicht aus Chrom (nicht gezeigt), die auf die Siliziumdioxidschicht aufgebracht ist, und aus einer dicken Schicht aus Gold (nicht gezeigt), die auf die Schicht aus Chrom aufgebracht ist, aufgebaut. Die Schicht aus Siliziumdioxid und die Schicht aus Chrom helfen der Schicht aus Gold, an dem Substrat 122 zu haften.
Eine Lösung aus Ferrioxid wird dann auf die Oberfläche der Schicht der Metallisierung 130 aufgeschleudert. Eine geeignete Lösung aus Ferrioxid kann von Epoxy Technologies, Inc., in Billerica, MA, erhalten werden. Die resultierende Struktur wird dann in einer Oxidierungsatmosphäre bei 4.000°C gebacken, um das Lösungsmittel aus der Ferrioxidlösung auszutreiben. Dies läßt die Schicht der Metallisierung abgedeckt mit der einheitlichen Schicht aus Eisenoxid 134, wie in 6B gezeigt ist. Die Schicht aus Ferrioxid sollte alternativ durch thermische Verdampfung oder Zerstäuben in einer Oxidierungsatmosphäre aufgebracht werden.
Die Struktur wird dann in einem Vakuum oder in einer Reduzierungsatmosphäre erwärmt, um die Schicht aus Ferrioxid 134 zu der Schicht aus Magnetit 136 zu reduzieren. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in 6C gezeigt. Der Erwärmungsprozeß muß gesteuert werden, um sicherzustellen, daß die gesamte Schicht aus Ferrioxid 134 zu Magnetit reduziert wird, während eine weitere Reduzierung des Magnetits zu Ferrooxid (FeO) verhindert wird. In der Praxis wurde dieser Zustand erhalten durch Erwärmen bei 400 -4.500°C in einem Vakuum für ungefähr eine Stunde. Röntgendiffraktionsergebnisse haben angezeigt, daß ein Erwärmen auf diese Weise das Ferrioxid vollständig zu Magnetit reduziert hat, mit einer vernachlässigbaren Erzeugung von Ferrooxid.
Sobald die Schicht aus Magnetit 136 wie soeben beschrieben gebildet wurde, können die Schicht des Isolators 138, die Schicht aus Magnetmaterial 40 und optional die zusätzliche Schicht der Metallisierung 142 nacheinander aufgebracht werden, wie oben Bezug nehmend auf 5 beschrieben wurde, um die Schichtstruktur 144 zu liefern, die in 6D gezeigt ist. Die Schichtstruktur wird dann einem selektiven Ätzen und Kleben, Anzeichnen oder Vereinzeln unterzogen, um mehrere magnetoresistive Sensoren ähnlich zu dem ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensor mit Tunneleffekt zu erzeugen, der in 5 gezeigt ist. Dabei liefert die Schicht der Metallisierung 130 die erste leitfähige Schicht 124, die Magnetitschicht 136 liefert die ferrimagnetische Elektrode 112, die Isolatorschicht 138 liefert die Isolierungsschicht 116, die Magnetmaterialschicht 140 liefert die Magnetelektrode 114 und die zusätzliche Metallisierungsschicht 142 liefert die zweite leitfähige Schicht 128.
Der soeben beschriebene Prozeß zum Reduzieren von Ferrioxid zu Magnetit kann ferner verwendet werden, um gleichzeitig die Schicht des Isolators 138 auf der Magnetitschicht 136 durch Oxidierung einer dünnen Schicht aus Aluminium zu erzeugen, die auf die Schicht aus Ferrioxid 134 aufgebracht wird. Die Schicht des Isolators, die auf diese Weise gebildet wird, weist eine einheitlichere Dicke auf und weist für eine gegebene Dicke im wesentlichen weniger Pinholes auf als eine Schicht eines Isolators, die durch Zerstäuben oder Laserablation auf die Schicht aus Magnetit aufgebracht wird, nachdem letztere gebildet wurde. Ein weiterer Vorteil des Bildens der Schicht des Isolators auf diese Weise ist, daß kein Sauerstoff aus der Schicht des Isolators freigesetzt wird, wenn die Schicht des Isolators aufgebracht wird. Sauerstoff kann freigesetzt werden, wenn Zerstäuben oder Laserablation verwendet wird, um ein isolierendes Oxid auf die Schicht aus Magnetit aufzubringen, um die Schicht des Isolators zu bilden. Dieser Sauerstoff kann einen Teil der Magnetitschicht zurück zu einem antiferromagnetischen Ferrioxid oxidieren, was das Verhältnis ΔR/R des Sensors reduziert. Dieses Problem wird verhindert, wenn die Schicht des Isolators durch Oxidieren einer Schicht aus Aluminium unter Verwendung des Sauerstoffs gebildet wird, der durch Reduzieren des Ferrioxids zu Magnetit freigesetzt wird.
Der Prozeß des gleichzeitigen Bildens der Schicht aus Magnetit durch Reduktion der Schicht aus Ferrioxid und des Bildens der Schicht des Isolators durch Oxidieren einer Schicht aus Aluminium ist in den 6A, 6B und 7A – 7D gezeigt.
Die Schicht der Metallisierung 130 und die Schicht des Ferrioxids 134 werden nacheinander auf die Schicht des Siliziumdioxids 132 aufgebracht, die auf der Oberfläche des Substrats 122 gebildet ist, wie oben Bezug nehmend auf 6A und 6B beschrieben wurde. Nachdem das Substrat in einer Oxidierungsatmosphäre gebacken wurde, um die Lösungsmittel aus der Lösung aus Ferrioxid herauszutreiben, um die Schicht des Ferrioxids 134 zu bilden, wird die Schicht aus Aluminium 150 auf die Oberfläche der Schicht des Ferrioxids aufgebracht, wie in 7A gezeigt ist. Die Aluminiumschicht ist vorzugsweise ungefähr (10 Å) dick und wird vorzugsweise durch Elektronenstrahlverdampfung oder durch DC-Zerstäubing aufgebracht. Jeder dieser Aufbringungsprozesse führt dazu, daß das Aluminium die Oberfläche der Schicht des Ferrioxids völlig benetzt, was einen Mangel an Pinholes in der Schicht des Isolators sicherstellt, wenn dieser schließlich gebildet wird.
Das Substrat, auf dem die oben beschriebenen Schichten gebildet wurden, wird dann in einem Vakuum erwärmt. Das Erwärmen der Schicht des Ferrioxids 134 reduziert das Ferrioxid zu Magnetit und setzt freien Sauerstoff frei. Der freie Sauerstoff diffundiert aus der Schicht des Ferrioxids in die Schicht aus Aluminium 150, wo er das Aluminium zu Aluminiumoxid Al₂O₃ oxidiert. Durch Erwärmen des Substrats eine ausreichende Zeit lang, um die Gesamtheit der Schicht des Ferrioxids zu Magnetit zu reduzieren, aber nicht so lange, um das Magnetit weiter zu Ferrooxid zu reduzieren, wird ausreichend Sauerstoff freigesetzt, um die gesamte Schicht aus Aluminium 150 zu Aluminiumoxid zu oxidieren. 7B zeigt das Substrat nach dem Erwärmungsprozeß, wobei die Schicht aus Aluminiumoxid 152 über der Schicht aus Magnetit 136 liegt. Die Schicht aus Aluminiumoxid 152 weist dieselben Vorteile auf im Hinblick auf die Einheitlichkeit der Dicke und einen Mangel an Pinholes wie die Schicht aus Aluminium 150 auf, aus der sie gebildet wurde.
Sobald die Schicht aus Magnetit 136 und die Schicht aus Aluminiumoxid 152 wie soeben beschrieben gebildet wurden, können die Schicht des Magnetmaterials 140 und optional die zusätzliche Schicht der Metallisierung 142 nacheinander aufgebracht werden, um die Schichtstruktur 154 zu liefern, die in 7C gezeigt ist. Die Schichtstruktur wird dann einem selektiven Ätzen, Kleben, Anreißen oder Vereinzeln unterzogen, um mehrere ferrimagnetische magnetoresistive Sensoren mit Tunneleffekt ähnlich zu dem ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensor mit Tunneleffekt zu bilden, der in 5 gezeigt ist. Dabei liefert die Schicht der Metallisierung 130 die erste leitfähige Schicht 124, die Magnetitschicht 136 liefert die ferrimagnetische Elektrode 112, die Aluminiumoxidschicht 152 liefert die isolierende Schicht 116, die Magnetmaterialschicht 140 liefert die Magnetelektrode 114 und die zusätzliche Metallisierungsschicht 142 liefert die zweite leitfähige Schicht 128.
Das synthetische Magnetit, das durch Reduktion des Ferrioxids gebildet wird, wie oben beschrieben wurde, weist eine Koerzivität von 500 Oe auf, im Vergleich zu ungefähr 10 Oe für natürliches Magnetit. Die Prozesse jedoch, die oben beschrieben wurden, können verwendet werden, um Kobaltdotiertes synthetisches Magnetit zu erzeugen, Co_XFe₃_xO₄, wobei 0,05 ≤ x ≤ 0,15. Kobalt-dotiertes synthetisches Magnetit weist eine Koerzivität näher an 10 Oe auf und kann ferner mit einer steilen Kurve von Magnetisierung über Feldintensität hergestellt werden. Diese Charakteristika machen das Kobalt-dotierte synthetische Magnetit zu einem geeigneten Elektrodenmaterial zur Verwendung beim Herstellen ferrimagnetischer magnetoresistiver Sensoren mit Tunneleffekt zum Lesen von magnetischen Speicherungsmedien. Ein Kobalt-dotiertes synthetisches Magnetit wird durch den Prozeß hergestellt, der oben Bezug nehmend auf 6A – 6D und 7A – 7C beschrieben wurde, außer daß eine Ferrioxid-Aufschleuderlösung mit einer Kobaltoxid-Aufschleuderlösung vermischt wird, und dass die resultierende Mischung auf die Schicht der Metallisierung 130 anstelle einer reinen Ferrioxidlösung aufgeschleudert wird. Die Aufschleuderlösungen werden in einem Verhältnis gemischt, das ein Kationenverhältnis in dem Bereich liefert, der oben ausgeführt wurde. Alternativ kann eine Mischung aus Ferrioxid und Kobaltoxid durch thermische Verdampfung oder Zerstäuben in einer Oxidierungsatmosphäre aufgebracht werden. Der Rest der Verarbeitung wird wie oben beschrieben ausgeführt.
Wenn das Verarbeiten, das oben Bezug nehmend auf 6A – 6D und 7A – 7C beschrieben wurde, ausgeführt wird, beginnend mit einer Mischung aus Ferrioxid und Kobaltoxid, weist die resultierende Schicht des Kobalt-dotierten synthetischen Magnetits die weiche Hysteresekurve auf, die in 8A gezeigt ist. Da die Magnetisierung dieser Form aus Kobalt-dotiertem synthetischen Magnetit sich relativ langsam ansprechend auf Feldintensitätsänderungen ändert, sind Elektroden, die aus dieser Form von Kobalt-dotiertem Magnetit hergestellt sind, geeignet zur Verwendung bei ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensoren mit Tunneleffekt für analoge Anwendungen.
Für Anwendungen, die eine quadratischere Hysteresekurve erfordern, kann ein zusätzlicher Schritt zu den oben beschriebenen Prozessen hinzugefügt werden, um die Schicht des Kobalt-dotierten synthetischen Magnetits auszuheilen. Ein Ausheilen der Schicht des Kobalt-dotierten synthetischen Magnetits führt zu der quadratischen Hysteresekurve, die in 8B gezeigt ist, die eine steile Kurve von Magnetisierung über Feldintensität umfaßt. Es ist ersichtlich, wenn diese Form von Kobalt-dotiertem synthetischen Magnetit als das Material von einer der Elektroden des ferrimagnetischen magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß der Erfindung verwendet wird, eine Magnetfeldintensität im Bereich von 10 Oe eine größere Änderung bei der Magnetisierung der Elektrode verursacht. Dies führt zu einer größeren Widerstandsänderung des Sensors.
Obwohl diese Offenbarung darstellende Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschreibt, wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die präzisen beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, und daß verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung durchgeführt werden können, die durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Ein ferrimagnetischer magnetoresistiver Sensor mit Tunneleffekt (10, 30, 110), der einen Stapel aus Dünnfilmschichten aufweist, wobei die Dünnfilmschichten folgende Merkmale umfassen: eine Schicht eines ferrimagnetischen Materials (12, 112), wobei das ferrimagnetische Material leitfähig ist und eine Koerzitivität aufweist; eine Schicht eines magnetischen Materials (14, 114), wobei das magnetische Material leitfähig ist und eine Koerzitivität aufweist, die im wesentlichen unterschiedlich zu der Koerzitivität des ferrimagnetischen Materials ist; und eine Schicht eines Isolators (16, 116), der zwischen der Schicht des ferrimagnetischen Materials und der Schicht des magnetischen Materials positioniert ist, wobei die Schicht des Isolators eine Dicke hat, die ausreichend klein ist, um ein Tunneln von Stromträgern zwischen der Schicht des ferrimagnetischen Materials und der Schicht des magnetischen Materials zu ermöglichen.
Der Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Schicht des magnetischen Materials ein ferromagnetisches Material umfaßt.
Der Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem: die Schicht des ferrimagnetischen Materials eine hochkoerzitive Form von Magnetit umfaßt; und die Schicht des magnetischen Materials ein ferrimagnetisches Material umfaßt, das eine niedrigere Koerzitivität aufweist als die Koerzitivität der hochkoerzitiven Form von Magnetit.
Der Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem: die Schicht des ferrimagnetischen Materials (12) eine niedrige Koerzitivität aufweist; und die Schicht des magnetischen Materials aus einer Schicht (14) eines ferrimagnetischen Material, das eine Koerzitivität ähnlich zu der Koerzitivität der Schicht des ferrimagnetischen Materials aufweist, und aus einer Pinning-Schicht (32) aus entweder einem ferromagnetischen Material oder einem antiferromagnetischen Material gebildet ist, wobei entweder das ferromagnetische Material oder das antiferromagnetische Material eine Koerzitivität größer als die Koerzitivitäten der ferrimagnetischen Materialien aufweist, wobei die Pinning-Schicht (32) in dem Stapel benachbart zu der ferrimagnetischen Schicht (14) der Schicht des magnetischen Materials und entfernt von der Schicht des Isolators (16) angeordnet ist, wobei die Pinning-Schicht die Schicht des magnetischen Materials innerhalb einer effektiven Koerzitivität bereitstellt, die sich im wesentlichen von der der Schicht (12, 112) des ferrimagnetischen Materials unterscheidet.
Der Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Schicht des Isolators ein isolierendes Oxid umfaßt.
Der Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem zumindest entweder die Schicht des ferrimagnetischen Materials oder die Schicht des magnetischen Materials durch eine Schicht eines besseren elektrischen Leiters gestützt ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines ferrimagnetischen, magnetoresistiven Sensors mit Tunneleffekt gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen von: einem Substrat (122), das eine Schicht eines Ferrioxids (134), die auf demselben angeordnet ist, aufweist, einem Isolator, und einem magnetischen Material, das eine Koerzitivität aufweist; Erwärmen des Substrats, das die Schicht des Ferrioxids auf demselben aufweist, um die Schicht des Ferrioxids zu einer Schicht aus Magnetit (136) zu reduzieren, wobei das Magnetit eine Koerzitivität aufweist, die sich wesentlich von der Koerzitivität des magnetischen Materials unterscheidet; Bilden einer Schicht des Isolators (138) auf der Schicht aus Magnetit; und Aufbringen einer Schicht des magnetischen Materials (140) auf den Isolator, wobei: bei dem Schritt des Bildens der Schicht des Isolators die Schicht des Isolators mit einer Dicke gebildet wird, die ausreichend klein ist, um ein Tunneln von Stromträgern zwischen der Schicht aus Magnetit und der Schicht des magnetischen Materials zu ermöglichen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem bei dem Schritt des Bildens der Schicht des Isolators ein iso lierendes Oxid auf die Schicht aus Magnetit aufgebracht wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Schicht des Isolators auf der Schicht aus Magnetit gebildet wird, durch Schritte, die folgende Schritte umfassen: Aufbringen einer Schicht des Aluminiums (150) auf die Schicht aus Ferrioxid; und Durchführen des Schritts des Erwärmens des Substrats, um die Schicht aus Ferrioxid zu der Schicht aus Magnetit zu reduzieren, wobei die Reduktion des Ferrioxids zu Magnetit freien Sauerstoff erzeugt, der die Schicht des Aluminiums oxidiert, um eine Pinhole-freie Schicht aus Aluminiumoxid als die Schicht des Isolators herzustellen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem bei dem Schritt des Aufbringens der Schicht des magnetischen Materials Kobalt aufgebracht wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem: der Erwärmungsschritt das Ferrioxid zu einer hochkoerzitiven Form von Magnetit reduziert; und bei dem Schritt des Aufbringens eines magnetischen Materials eine niedrigkoerzitive Form von Magnetit aufgebracht wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem der Schritt des Bereitstellens eines Substrats, das eine Schicht aus Ferrioxid, die auf demselben aufgebracht ist, aufweist, das Substrat bereitstellt, das eine Schicht einer Mischung aus Ferrioxid und Kobaltoxid aufgebracht auf demselben aufweist, wobei die Mischung Ferrioxid und Kobaltoxid in einem derartigen Verhältnis enthält, daß nachfolgend zu dem Erwärmungsschritt das Magnetit Kobalt-dotiert ist und die Form Fe_3–xCo_xO₄ aufweist, mit 0,05 ≤ x ≤ 0,15.