Brevet FR2701167A1 — publié le 19940805

ELEMENT A EFFET EGNETORESISTIF. La présente invention concerne un élément à effet magnétorésistif pour lire une intensité de champ magnétique en tant que signal produit par un support d'enregistrement magnétique et analogue. Ces dernières années, la sensibilité d'un capteur magnétique et la densité d'enregistrement magnétique ont été accrues. Par suite de cet accroissement, un capteur à effet magnétorésistif (ci-après appelé capteur "MR") et une tête magnétique à effet magnétorésistif (ci-après appelée tête "MR") ont été activement développés. Le capteur et la tête MR lisent un signal magnétique extérieur par l'intermédiaire de la variation de résistance dans un capteur de lecture comportant un matériau magnétique. Puisque la vitesse relative du capteur MR ou de la tête MR avec un support d'enregistrement magnétique ne dépend pas d'un signal de reproduction, une sensibilité élevée est obtenue par le capteur MR et un signal de sortie élevé est obtenu par la tête MR même dans le cas d'un enregistrement magnétique à densité élevée. Cependant, avec un capteur MR comportant une substance magnétique classique utilisant l'effet de magnétorésistance anisotropique telle que Nio,sFeo,2, un rapport de magnétorésistance #R/R (qui sera défini ci-après) est seulement d'environ 2 à 5%. Un élément MR possédant un rapport de magnétorésistance plus grand est par conséquent recherché. Récemment, il a été constaté qu'une pellicule à superréseau artificiel dans laquelle des couches magnétiques et des couches non magnétiques sont alternativement superposées, tel qu'un système Fe/Cr provoque un effet magnétorésistif important (cf. Physics Review Letters 61. 2472 (1988)). Cependant, avec cette pellicule à super-réseau artificiel, un champ magnétique extérieur auquel la variation de résistance maximum est obtenue est très important, notamment de 10000 Oersted à plusieurs dizaines de milliers d'Oersted. Par conséquent, cette pellicule à superréseau artificiel telle quelle ne peut pas être pratiquement utilisée. A la suite de la pellicule à superréseau artificiel ci-dessus, un effet magnétorésistif important a été constaté dans différents systèmes. Parmi eux, une pellicule à superréseau artificiel Co/Cu provoque une variation de magnétorésistance, notamment ssR/R de 60% ou plus même dans une faible variation de champ magnétique d'environ 10000 Oersted à température ambiante (cf. Applied Physics Letters 58, 2712 (1991)). Cependant, avec la pellicule à superréseau artificiel Co/Cu, une intensité du champ magnétique extérieur à laquelle la variation de résistance apparaît est trop importante, et il est difficile d'utiliser pratiquement le superréseau artificiel en tant que capteur ou tête MR. Un des buts de la présente invention est de proposer un élément à effet magnétorésistif qui provoque une variation de résistance importante même pour une faible intensité du champ magnétique. Conformément à la présente invention, on prévoit un élément à effet magnétorésistif comportant un substrat sur lequel une première pellicule magnétique possédant une épaisseur de 0,2 à 5 nm qui comporte du cobalt, une seconde pellicule magnétique possédant une épaisseur non supérieure à 5 nm qui comporte du fer ou du nickel ou un alliage de ceux-ci, une troisième pellicule magnétique possédant une épaisseur de 0,2 à 5 nm qui comporte du cobalt et une couche non magnétique ayant une épaisseur de 0,5 à 5 nm, sont superposées dans cet ordre au moins deux fois, l'épaisseur de ladite seconde pellicule magnétique n'étant pas supérieure à la moitié de l'épaisseur totale desdites première et troisième pellicules magnétiques. Dans un mode de réalisation préféré, la pellicule constituant la couche non magnétique comporte au moins un métal choisi parmi le groupe constitué de Cu, Ag, Au et Ru. Pour réduire la variation du champ magnétique extérieur à laquelle la variation de résistance du superréseau artificiel Co/Cu apparaît, il est envisagé d'utiliser, en tant que pellicule magnétique, un matériau dont la magnétisation est plus facilement inversée que le cobalt. Mais il est dit qu'un mécanisme de dispersion à l'interface entre la pellicule magnétique et la pellicule non magnétique a un effet important sur la variation de résistance dans l'effet MR important du superréseau artificiel. Par conséquent, si un état de l'interface est changé par alliage ou formation d'une pellicule d'atomes étrangers, un risque de réduction de#R/R est élevé. Dans la présente invention, des couches de fer, de nickel ou d'un alliage fer/nickel sont ajoutées entre les couches de cobalt pour préserver l'interface entre la couche de cobalt et la couche non magnétique. Par suite de l'effet du fer ou du nickel dans la pellicule magnétique intermédiaire (la seconde pellicule magnétique), la magnétisation du superréseau artificiel est inversée à une intensité relativement faible du champ magnétique, de sorte que le superréseau artificiel présente une variation de résistance plus grande pour une intensité relativement faible du champ magnétique. Lorsque la seconde pellicule magnétique est introduite, les interfaces entre les pellicules de cobalt sur les deux côtés (les première et troisième pellicules magnétiques) et la pellicule non magnétique sont maintenus. De plus, puisque la dimension d'un atome de fer ou de nickel ne diffère pas grandement de celle de Co et Cu, une contrainte de réseau importante n'est pas induite. Par conséquent, l'élément à effet magnétorésistif comportant le superréseau artificiel selon la présente invention présente une variation de résistance importante pratiquement de même amplitude que celle de la pellicule superréseau artificiel Co/Cu dans un champ magnétique faible. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels la Figure 1 est une vue en coupe d'un exemple de l'élément à effet magnétorésistif selon la présente invention, la Figure 2 représente une courbe MR et une courbe de magnétisation dans l'exemple 1, la Figure 3 représente une courbe MR et une courbe de magnétisation dans l'exemple comparatif 1, et la Figure 4 représente une courbe MR et une courbe de magnétisation dans l'exemple comparatif 2. Sur la Figure 1, le superréseau artificiel peut être formé directement sur un substrat 1, bien qu'il soit de préférence formé sur une couche tampon 2 qui est déposée sur le substrat, étant donné que le rapport AR/R est encore accru. En tant que substrat, une plaque ou pellicule de verre, de silicium, de MgO, de GaAs, de ferrite ou un polymère (par exemple téréphthalate de polyéthylène, le naphthalate de polyéthylène,un polyimide,un polyamide, etc.) et analogues peuvent être utilisés. La couche tampon 2 est déposée avant la formation du superréseau artificiel pour améliorer la régularité superficielle du substrat ou l'orientation cristalline du superréseau artificiel. Habituellement, la couche tampon est constituée d'un métal tel que le fer, le chrome, le tungstène, le titane, le vanadium, le manganèse et un alliage de ceux-ci. L'épaisseur de la couche tampon 2 n'est pas critique. Habituellement, elle est d'au moins 2 nm en ce qui concerne l'amélioration des propriétés, et de préférence non supérieure à 100 nm en ce qui concerne la productivité. Le superréseau artificiel constituant l'élément à effet magnétorésistif de la présente invention possède une structure dans laquelle la pellicule non magnétique 3, la première pellicule magnétique 4, la seconde pellicule magnétique 5 et la troisième pellicule magnétique 6 sont superposées dans cet ordre au moins deux fois. A la fois la première pellicule magnétique 4 et la troisième pellicule magnétique 6 sont constituées à partir d'un matériau comportant le cobalt en tant que constituant principal, et chacune possède une épaisseur d'au moins 0,2 nm, de préférence au moins 0,4 nm. Lorsque l'une quelconque des première et troisième pellicules magnétiques est plus fine que 0,2 nm, les interfaces des première et troisième pellicules magnétiques et des pellicules non magnétiques sont changés, de sorte que hR/R peut être réduit. De préférence, l'épaisseur de chacune des première et troisième pellicules magnétiques est non supérieure à 5 nm en ce qui concerne la productivité. Les épaisseurs des première et troisième pellicules magnétiques peuvent être identiques ou différentes. La seconde pellicule magnétique 5 est réalisée à partir d'un matériau comportant du fer, du nickel ou leur alliage en tant que constituant principal. Son épaisseur est d'au moins 0,01 nm, de préférence d'au moins 0,05 nm. La limite supérieure de l'épaisseur est de préférence 5 nm en ce qui concerne la productivité, dans la présente invention, l'épaisseur de la seconde pellicule magnétique ne dépasse pas la moitié de l'épaisseur totale des première et troisième pellicules magnétiques. Lorsque l'épaisseur de la seconde pellicule magnétique dépasse la moitié de l'épaisseur totale des première et troisième pellicules magnétiques, #R/R diminue. Des exemples préférés du matériau non magnétique constituant la pellicule non magnétique 3 sont Cu, Ag, Au, Ru, Pt, Al, Mg, Mo, Zn, Nb, Ta, V, Hf, Sb, Zr, Ga, Ti, Sn, Pb ou leurs alliages. Parmi ceux-ci, Cu, Ag, Au et Ru sont les plus préférés. L'épaisseur de la pellicule non magnétique est d'au moins 0,5 nm, et de préférence non supérieure à 5 nm en ce qui concerne la productivité. L'épaisseur de chacune de la couche tampon, des pellicules magnétiques et de la pellicule non magnétique peut être mesurée par mesure de différence d'échelon, diffraction aux rayons X, microscopie électronique à transmission, microscopie électronique à balayage, spectroscopie électronique Auger et analogues. La séquence de superposition du superréseau artificiel est constituée de la pellicule non magnétique 3, des pellicules magnétiques 4, 5 et 6 et à nouveau des pellicules 3, 4, 5 et 6, dans cet ordre. Mais, le feuilletage peut être débuté à partir de l'une quelconque des pellicules 3, 4, 5 et 6, et terminé par l'une quelconque des pellicules 3, 4, 5 et 6, pour autant que la succession précitée des pellicules est réalisée. Le nombre des feuilletages est d'au moins deux ensembles des quatre pellicules 3, 4, 5 et 6. Le nombre maximum de feuilletages est de préférence d'environ 100 en ce qui concerne la productivité. La couche ou la pellicule peut être réalisée par dépôt par vapeur chimique, pulvérisation, épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) et analogues EXEMPLES La présente invention sera illustrée plus en détail à l'aide des exemples suivants. Exemple 1 Une plaque de verre est utilisée en tant que substrat 1 et placée dans un dispositif de dépôt sous vide poussé et le dispositif est vidé à 10-8 Torr ou moins. Tout en faisant tourner le substrat qui est maintenu à température ambiante pour former une pellicule uniforme, une couche tampon de chrome est déposée à une épaisseur de 5 nm, et ensuite un superréseau artificiel ayant la composition du tableau I est formé à une vitesse de 0,03 nm/sec. La composition du superréseau artificiel comprenant les pellicules magnétiques et la pellicule non magnétique, son #R/R et l'intensité du champ magnétique extérieur à laquelle la résistance est maximum H(Rmax) sont représentés sur le tableau 1. Sur le tableau 1, l'expression de la composition, par exemple, [ Co(0,5)/Fe(0,2)/Co(0,5)/Cu(3)jx8, signifie qu'une pellicule de Co de 0,5 nm d'épaisseur, une pellicule de Fe de 0,2 nm d'épaisseur, une pellicule de Co de 0,5 nm d'épaisseur et une pellicule de Cu de 3 nm d'épaisseur ont été successivement déposées, et que le dépôt des quatre pellicules a été répété huit fois. Tableau 1 Exemple Structure du superréseau ssR/R H(R=) N o artificiel (so) (oye) 1 [ Co(0,5)/Fe(0,2)/Co(0,S)/Cu(3) ] x8 9,0 8,0 Ex.comp.1 [ Co(1)/Cu(3) ] x8 9,2 190 Ex. comp.2 [ Fe(0,2)/Co( 1)/Fe(0,2)/Cu (3) ] x8 2,1 30 La magnétisation est mesurée par un magnétomètre à échantillon vibrant (VSM). La dimension de l'échantillon pour la mesure de MR, qui avait la structure indiquée sur le tableau 1, était 1 x 10 mm. Tout en appliquant un champ magnétique extérieur dans le plan perpendiculairement à la direction du courant, la résistance a été mesurée par un procédé à sonde à quatre points en modifiant le champ extérieur de -500 à +500 Oe, et le rapport de magnétorésistance hR/R est calculé à partir des résistances mesurées.Le rapport de magnétorésistance tR/R est calculé selon l'équation suivante dans laquelle Rmax est la résistance maximum et Rlmn est la résistance minimum. Les courbes MR et les courbes de magnétisation obtenues dans l'exemple 1, et dans les exemples comparatifs 1 et 2 sont représentées sur les Figures 2, 3 et 4, respectivement. L'exemple comparatif 1 est l'un des exemples classiques, et H(Rmax) est important. Dans l'exemple comparatif 2, la pellicule de fer est formée entre la pellicule magnétique et la pellicule non magnétique. Dans ce cas, ssR/R est grandement réduit. Des courbes des Figures 2, 3 et 4 et des résultats du tableau 1, on voit que la pellicule à superréseau artificiel de la présente invention présente une variation de résistance magnétique importante dans un champ magnétique faible. Exemples 2 à 5 Le superréseau artificiel est réalisé de la même manière que dans l'exemple 1, sauf que les épaisseurs des pellicules magnétiques ont été modifiées comme représenté sur le Tableau 2. Les résultats sont consignés sur le tableau 2. Tableau 2 Exemple Structure du superréseau #R/R H(Rmax) N artificiel (%) (Oe) 2 [Co(0,4)/Fe(0,05)/Co(0,4)/Cu(3)]x8 9,5 100 3 [Co(0,4)/Fe(0,1)/Co(0,4)/Cu(3)]x8 9,2 90 4 Ex.comp.3 [ Co(0,4)/Fe(0,6)/Co(0,4)/Cu(3) (3)1x8 3,2 40 5 [ Co(0,3)/Fe(0,2)/Co(0,5)/Cu(3) ] x8 8,8 80 Ex.comp.4 [ Co(0, 1)/Fe(0,2)/Co(0,7)/Cu(3) ] x8 1,6 50 Des résultats du Tableau 2 et de l'exemple comparatif 1 du Tableau 1, on voit que lorsque l'épaisseur de la seconde pellicule magnétique est d'au moins 0,05 nm, H(Rmax) peut être rendu faible. De plus, on voit que lorsque l'épaisseur de la seconde pellicule magnétique n'est pas supérieure à la moitié de l'épaisseur totale des première et troisième pellicules magnétiques, un superréseau artificiel possédant un AR/R important peut être réalisé, tandis lorsque la première dépasse la seconde, ssR/R diminue grandement. Les épaisseurs des première et troisième pellicules magnétiques ne sont pas nécessairement les mêmes que représenté dans l'exemple 5. Chaque épaisseur des première et troisième pellicules magnétiques est au moins 0,2 nm, de préférence au moins 0,4 nm. Exemples 6 et 7 Le superréseau artificiel est réalisé de la même manière que dans l'exemple 1, sauf que le matériau de la seconde pellicule magnétique est choisi comme indiqué sur le Tableau 3. Les résultats sont consignés sur le Tableau 3. Tableau 3 Exemple Structure du superréseau #R/R H(R=) N artificiel (%) (oye) 6 [ Co(0,5/Ni(0,2)/Co(0,5)/Cu(3)}x8 9,0 110 7 [ Co(0,5)/Nio,sFeo,2(0,2)/Co(0,5)/Cu(3) ]x8 8,8 80 Ex.comp.5 [ Co (0,5)/Cr(0,2) /Co (0,5)/Cu (3) 1x8 1,2 20 Ainsi qu'on le voit des résultats du Tableau 3, un rapport AR/R important peut également être obtenu pour un champ magnétique faible lorsque la seconde pellicule magnétique est constituée de nickel ou d'un alliage nickel/fer au lieu de fer. REVENDICATIONS 1. Elément à effet magnétorésistif caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (1) sur lequel une première pellicule magnétique (4) ayant une épaisseur de 0,2 à 5 nm qui comporte du cobalt, une seconde pellicule magnétique (5) ayant une épaisseur non supérieure à 5 nm qui comporte du fer ou du nickel ou un alliage de ceux-ci, une troisième pellicule magnétique (6) ayant une épaisseur de 0,2 à 5 nm qui comporte du cobalt et une couche non magnétique (3) ayant une épaisseur de 0,5 à 5 nm sont superposées dans cet ordre au moins deux fois, l'épaisseur de ladite seconde pellicule magnétique n'étant pas supérieure à la moitié de l'épaisseur totale desdites première et troisième pellicules magnétiques. 2. Elément à effet magnétorésistif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pellicule constituant la couche non magnétique (3) comporte au moins un métal choisi parmi le groupe constitué de Cu, Ag, Au et Ru. 3. Elément à effet magnétorésistif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de chacune desdites première et troisième pellicules magnétiques est au moins 0,4 nm. 4. Elément à effet magnétorésistif selon la revendication 1, qui comporte en outre une couche tampon (2) entre ledit substrat et les pellicules superposées. 5. Elément à effet magnétorésistif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite couche tampon possède une épaisseur d'au moins 2 nm.