專利名稱：磁阻元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過對(duì)磁阻膜提供檢測電流來檢測磁力的磁阻元件。
背景技術(shù)：
通過利用巨磁阻效應(yīng)(GMR)，磁器件尤其是磁頭的性能有明顯改善。尤其是對(duì)磁頭、MRAM(Magnetic Random Access Memories，磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)等應(yīng)用自旋閥膜(SV膜)，在磁器件領(lǐng)域帶來了巨大的技術(shù)進(jìn)步。
“旋閥膜”是包括非磁性間隔層介于兩層鐵磁層之間這種結(jié)構(gòu)的多層膜，該多層膜結(jié)構(gòu)其發(fā)生阻抗變化的部分稱為自旋相依散射單元。兩層鐵磁層其中一層(稱為“被固定層”、“磁化被固定層”等)的磁化由反鐵磁層等固定，而其中另一鐵磁層(稱為“自由層”、“磁化自由層”等)的磁化方向則可隨外部磁場而旋轉(zhuǎn)。在旋閥膜中，被固定層和自由層的磁化方向的相對(duì)角度的變化產(chǎn)生巨磁阻。這里，間隔層使被固定層和自由層彼此間磁分離，以允許被固定層和自由層各自的磁化方向獨(dú)立變化。
利用旋閥膜的磁阻效應(yīng)元件包括CIP(Current-In-Plane，電流在平面內(nèi))-GMR元件、CPP(Current-Perpendicular-to-Plane，電流垂直于平面)-GMR元件、以及TMR(Tunneling Magneto Resistance，隧道磁阻)元件。在CIP-GMR元件中按與旋閥膜的平面相平行的方向提供檢測電流，而在CPP-GMR元件和TMR元件中則按與旋閥膜的平面基本上垂直的方向提供檢測電流。
在電流垂直于平面類型中，TMR元件中的間隔層為絕緣層，而普通CPP-GMR元件中的間隔層為金屬層。作為CPP-GMR元件的發(fā)展形式，還提出過一種磁阻元件，這種磁阻元件的間隔層為包括在厚度方向上貫通的納米金屬電流通路的氧化層[NOL(nano-oxidelayer，納米氧化層)]。該間隔層具有用于在NOL的部分內(nèi)造成金屬導(dǎo)通的電流限制通路(CCP，current-confined-path)(見日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)2002-208744)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例的磁阻元件包括具有基本上固定的磁化方向的第一磁性層；設(shè)置于該第一磁性層上、具有氧化物、氮化物、氧氮化物、以及金屬其中至少一種的薄膜層；以及設(shè)置于該薄膜層上、具有基本上固定的磁化方向的第二磁性層。


圖1是示出本發(fā)明實(shí)施例的磁阻元件的立體圖。
圖2是示出本發(fā)明實(shí)施例的磁阻膜的基本結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖3是示出常規(guī)旋閥膜的基本結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖4A是示出磁阻效應(yīng)發(fā)生機(jī)制的示意圖。
圖4B是示出磁阻效應(yīng)發(fā)生機(jī)制的示意圖。
圖5是示出磁阻元件制造過程的一個(gè)實(shí)例的流程圖。
圖6是示出用于制造磁阻元件的薄膜形成設(shè)備的總體輪廓的示意圖。
圖7是一例磁阻膜的剖面TEM照片。
圖8是示出在形成磁阻膜的過程中氧氣流量和磁阻率之間的相關(guān)性的圖表。
圖9是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖10是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖11是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖12是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖13是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖14是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖15是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖16是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖17是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖18是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖19是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖20是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖21是示出其中上下被固定層其中一層具有合成被固定結(jié)構(gòu)而另一層具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖22是示出其中上下被固定層其中一層具有合成被固定結(jié)構(gòu)而另一層具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖23是示出其中上下被固定層其中一層具有合成被固定結(jié)構(gòu)而另一層具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖24是示出其中上下被固定層其中一層具有合成被固定結(jié)構(gòu)而另一層具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖25是示出其中上下被固定層其中一層具有合成被固定結(jié)構(gòu)而另一層具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖26是示出其中上下被固定層其中一層具有合成被固定結(jié)構(gòu)而另一層具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖27是示出其中上下被固定層其中一層具有合成被固定結(jié)構(gòu)而另一層具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖28是示出其中上下被固定層其中一層具有合成被固定結(jié)構(gòu)而另一層具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖29是示出其中上下被固定層其中一層具有合成被固定結(jié)構(gòu)而另一層具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖30是示出其中上下被固定層其中一層具有合成被固定結(jié)構(gòu)而另一層具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖31是示出僅具有一層固定層的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖32是示出僅具有一層固定層的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖33是示出僅具有一層固定層的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖34是示出僅具有一層固定層的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖35是示出具有多層外部磁場檢測層的磁阻膜其結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖36是示出具有多層外部磁場檢測層的磁阻膜的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
圖37是示出其中結(jié)合有本實(shí)施例的磁阻膜的磁頭的示意圖。
圖38是示出其中結(jié)合有本實(shí)施例的磁阻膜的磁頭的示意圖。
圖39是示出磁記錄/再生設(shè)備的主要部分的概略結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖40是示出從磁盤一側(cè)觀察的磁頭懸架組件的致動(dòng)臂的前端部分的放大立體圖。
圖41是示出本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器的矩陣結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
圖42是示出本實(shí)施例磁存儲(chǔ)器的矩陣結(jié)構(gòu)的另一實(shí)例的示意圖。
圖43是示出本實(shí)施例磁存儲(chǔ)器的主要部分的剖面圖。
圖44是沿圖18中的A-A’線截取的剖面圖。
具體實(shí)施例方式接下來參照

本發(fā)明各實(shí)施例。下面各實(shí)施例中，合金的成分按原子百分比(原子％)表示。
圖1是示出本發(fā)明實(shí)施例的磁阻元件的立體圖。圖1以及其它附圖都是示意圖，圖中的厚度比例不一定等于實(shí)際的厚度比例。
如圖1所示，本實(shí)施例的磁阻元件具有磁阻膜10以及從上下方夾住磁阻膜10的上下電極20、11，并且形成于未圖示的襯底上。磁阻膜10由依次層疊在一起的基底層12、固定層13、被固定層14、外部磁場檢測層15、被固定層16、固定層17、以及遮蓋層(caplayer)18所組成。在上述這些層中，被固定層14、外部磁場檢測層15、以及被固定層16與呈現(xiàn)磁阻效應(yīng)的基本膜結(jié)構(gòu)即自旋相依散射單元相對(duì)應(yīng)。
(磁阻膜10的基本結(jié)構(gòu)) 圖2所示的磁阻膜10與圖3所示的常規(guī)旋閥膜90在結(jié)構(gòu)上具有非常大的區(qū)別。
圖2和圖3是示出本實(shí)施例的磁阻膜的基本結(jié)構(gòu)的立體圖。如上所述，在磁阻膜10中使固定層13、被固定層14、外部磁場檢測層15、被固定層16、以及固定層17層疊在一起。而在旋閥膜90中則使固定層93、被固定層94、間隔層95、以及自由層96層疊在一起。
在旋閥膜90中，呈現(xiàn)磁阻效應(yīng)的自旋相依散射單元具有被固定層94、間隔層95、自由層96這三層結(jié)構(gòu)。被固定層94的磁化方向固定，而自由層96的磁化方向則隨外部磁場而變化。間隔層95分離被固定層94和自由層96兩者間的磁耦合，從而使被固定層94和自由層96的磁化方向彼此保持獨(dú)立。被固定層94和自由層96的磁化方向的相對(duì)角度隨外部磁場而變化，并且可根據(jù)所形成的磁阻檢測磁力。
另一方面，在磁阻膜10中，被固定層14、外部磁場檢測層15、被固定層16構(gòu)成呈現(xiàn)磁阻效應(yīng)的自旋相依散射單元的三層結(jié)構(gòu)。即，在磁阻膜10中，沒有諸如間隔層95積極地分離磁耦合的機(jī)制，被固定層16和外部磁場檢測層15彼此直接靠近。
在常規(guī)旋閥膜90中，間隔層95為非磁性層。但間隔層95中傳導(dǎo)的電子從磁性層(被固定層94和自由層96)流出從而具有自旋信息。為了實(shí)現(xiàn)更大的阻抗變化，重要的是防止傳導(dǎo)電子的自旋信息在間隔層95中丟失。但在實(shí)際制作的間隔層95中，無法實(shí)現(xiàn)完全理想的狀態(tài)，晶體缺陷、雜質(zhì)元素等的影響造成自旋反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這是阻抗變化減小的原因。
另一方面，磁阻膜10不具有間隔層，并且不受這種傳導(dǎo)電子的自旋反轉(zhuǎn)的影響。這可以實(shí)現(xiàn)較大的阻抗變化。磁阻膜10即便是不具有間隔層也能夠起到旋閥膜的功能。將在后文中說明磁阻膜10的工作機(jī)制。
磁阻膜10的自旋相依單元中的層數(shù)與旋閥膜90的情形相同。但磁阻膜10不具有間隔層(用于積極地分離磁耦合的機(jī)制)，能夠通過被固定層14、16實(shí)際起到雙旋閥膜的功能。
典型的雙旋閥膜具有被固定層/間隔層/自由層/間隔層/被固定層這五層結(jié)構(gòu)。磁阻膜10可通過三層結(jié)構(gòu)(相對(duì)而言較薄)起到雙旋閥層的功能，可很容易提高磁阻比。
為了使磁阻膜10在不具有間隔層的情況下呈現(xiàn)磁阻效應(yīng)，需要適當(dāng)?shù)剡x擇外部磁場檢測層15的材料。作為外部磁場檢測層15，使用超薄氧化物層、氮化物層、氧氮化物層、或金屬層。使用Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Pd、Nb、W、Mo、Ta等作為氧化物層、氮化物層、或氧氮化物層的基本材料。對(duì)于金屬層而言，則使用包含諸如Ti、V、Cr、或Mn這類元素的金屬材料。
此時(shí)，氧化物層、氮化物層、氧氮化物層等采用大約0.5nm至3nm的超薄層(薄膜層)。這樣可以在不造成任何阻抗提高的情況下實(shí)現(xiàn)較大的磁阻率。采用金屬材料的情況下，即便是使用厚度超過3nm的膜，仍可以將阻抗控制為較低值。因此，在采用金屬材料的情況下，允許的厚度范圍可以高達(dá)約5nm，包括0.5nm至3nm這一范圍。
(磁阻元件的詳細(xì)說明) 接下來詳細(xì)說明本實(shí)施例的磁阻元件。
下電極11在垂直于旋閥膜平面的方向上提供電流。在下電極11和上電極20之間加上電壓使得電流在旋閥膜中沿垂直于平面的方向流過?？赏ㄟ^檢測基于該電流的磁阻效應(yīng)所引起的阻抗變化來檢測磁力。作為下電極11可采用電阻相對(duì)較低的金屬層向磁阻元件提供電流。
基底層12可以分為例如緩沖層12a和籽晶層12b。緩沖層12a對(duì)下電極11表面的粗糙度起緩沖作用。籽晶層12b控制其上所形成的旋閥膜的晶向以及晶粒大小。
作為緩沖層12a的材料可采用Ta、Ti、W、Zr、Hf、Cr、或者這些元素其中任何元素的合金。緩沖層12a的優(yōu)選厚度范圍為約1nm至約10nm，最好是約2nm至約5nm。緩沖層12a太薄的話便無法顯現(xiàn)緩沖效應(yīng)。另一方面，緩沖層12a太厚的話便會(huì)導(dǎo)致對(duì)磁阻率沒有貢獻(xiàn)的串聯(lián)阻抗的增加。另外，如果緩沖層12a上所形成的籽晶層12b具有緩沖效應(yīng)的話，形成緩沖層12a便是不可或缺的。作為滿足上述條件的優(yōu)選例，可采用Ta[3nm]作為緩沖層12a。
種子層12b可由能夠控制其上所形成的膜層的晶體取向的任何材料來形成。作為種子層12b優(yōu)選的是具有fcc結(jié)構(gòu)(face-centered cubic structure，面心立方結(jié)構(gòu))、hcp結(jié)構(gòu)(hexagonal close-packed structure，密排六方結(jié)構(gòu))、或bcc結(jié)構(gòu)(body-centeredcubic structure，體心立方結(jié)構(gòu))的金屬層等。
舉例來說，使用由hcp-Ru或fcc-NiFe所形成的籽晶層12b的話，其上所形成的旋閥膜可具有fcc(111)晶體取向。此外，固定層13(例如IrMn)可具有fcc(face-centeredcubic，面心立方)晶體取向。
為了使籽晶層12b充分顯現(xiàn)其改進(jìn)晶體取向的作用，籽晶層12b的厚度范圍優(yōu)選1nm至5nm這一范圍，最好是1.5nm至3nm這一范圍。Ru[2nm]為滿足上述條件的籽晶層12b的材料的優(yōu)選例。
旋閥膜以及固定層13的晶體取向可以通過X射線衍射來測量。旋閥膜的fcc(111)峰值以及固定層13(PtMn)的fct(111)峰值或bcc(110)峰值處的搖擺曲線的半值寬度為3.5°至6°時(shí)，可以獲得較好的取向?？梢酝ㄟ^利用剖面TEM從衍射點(diǎn)找到該取向的散射角。
替代Ru，也可用NiFe基合金(例如NixFe100-x(x＝90％至50％，較好是75％至85％)或在NiFe中加入第三元素Z使得NiFe為非磁性的(NixFe100-x)100-yZy(Z＝Cr、V、Nb、Hf、Zr、Mo))作為籽晶層12b。利用NiFe基籽晶層12b，可相對(duì)容易地獲得較好的晶體取向，作為按上述相同方式測定的搖擺曲線的半值寬度，可獲得3°至5°。
除了改進(jìn)晶體取向的作用以外，種子層12b還具有控制旋閥膜的晶粒大小的作用。具體來說，籽晶層12b能夠?qū)⑿y膜的晶粒大小控制為5nm至20nm。結(jié)果是，即便是磁阻元件其尺寸較小，也可以防止特性變化。此外，不僅可采用具有晶粒的旋閥膜，還可采用具有非晶結(jié)構(gòu)(其晶粒大小小到可當(dāng)作為極限狀態(tài))的旋閥膜。
可以根據(jù)種子層12b上所形成的固定層13和被固定層14其中晶粒的大小得出旋閥膜的晶粒大小。晶粒大小可以通過例如剖面TEM等進(jìn)行測定。
在適用于高密度記錄的再生磁頭中，元件尺寸為例如50nm或更小。晶粒大小相對(duì)于元件尺寸的較大比值會(huì)導(dǎo)致元件的特性變化。每一單位元件面積的晶粒數(shù)目較小會(huì)因晶體數(shù)目較小而導(dǎo)致特性變化，因此增加晶粒大小是不理想的。旋閥膜中超過20nm的晶粒大小是不理想的。
另一方面，非常小的晶粒大小難以維持較好的晶體取向。具體來說，晶粒大小的優(yōu)選范圍為3nm至20nm這一范圍。
為了得到上述3nm至20nm的晶粒大小，較好是用Ru[2nm]作為籽晶層12b，或者是用(NixFe100-x)100-yZy(Z＝Cr、V、Nb、Hf、Zr、Mo)層作為籽晶層12b的話，第三元素Z的組成y較好為約0％至30％(包括0％) 如上文所述，籽晶層12b的厚度較好為約1nm至5nm，最好為1.5nm至3nm。籽晶層12b太薄的話，顯現(xiàn)不出控制晶體取向等的效應(yīng)。籽晶層12b太厚的話，會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)阻抗的增加，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致旋閥膜界面的表面不規(guī)則。
固定層13具有對(duì)將要成為形成于固定層13上的被固定層14的鐵磁層賦予單向各向異性從而使磁化固定的功能。作為固定層13的材料，可采用諸如IrMn、PtMn、PdPtMn、或RuRhMn這類反鐵磁材料。其中，IrMn作為適用于高密度記錄的磁頭材料較具優(yōu)勢。IrMn可賦予單向各向異性的厚度小于PtMn情形，因而適合使高密度記錄所需的間隙變窄。
為了賦予足夠強(qiáng)的單向各向異性，需要適當(dāng)設(shè)定固定層13的厚度。由PtMn或PdPtMn所形成的固定層13的厚度較好為約8nm至20nm，最好是10nm至15nm。IrMn所形成的固定層13其可賦予單向各向異性的厚度與PtMn等所形成的固定層13的情形相比較小，因此其厚度的優(yōu)選范圍為4nm至18nm這一范圍，較為理想的是5nm至15nm這一范圍。作為滿足上述條件的優(yōu)選例，可采用IrMn[6nm]作為固定層13。
作為固定層13可用硬磁層替代反鐵磁層。可用的硬磁層材料的實(shí)例包括Co、Co合金、CoPt(Co＝50％至85％)，(CoxPt100-x)100-yCry(x＝50％至85％，y＝0％至40％)、FePt(Pt＝40％至60％)等。硬磁層其電阻率與反鐵磁層相比相對(duì)較小，因而具有能夠禁止串聯(lián)阻抗和面積阻抗RA增加的優(yōu)點(diǎn)。
被固定層14較好為由例如被固定層141(例如Co90Fe10[2nm])、磁耦合層142(例如Ru
)、以及被固定層143(例如Co90Fe10[2nm])所組成的合成被固定層。固定層13(例如IrMn)和直接位于其上的被固定層141處于交換磁耦合狀態(tài)以具有單向各向異性。磁耦合層142上下方的被固定層143、141處于強(qiáng)磁耦合狀態(tài)以具有反向平行的磁化方向。
用作被固定層141的材料的實(shí)例包括CoxFe100-x合金(x＝0％至100％)、NixFe100-x合金(x＝0％至100％)、以及加入了非磁性元素的上述合金其中任意一種。作為被固定層141的材料，也可用諸如Co、Fe、或Ni這類單一元素或其合金。
被固定層141的磁性厚度(飽和磁化Bs×厚度t(乘積Bs·t))最好是與被固定層143的磁性厚度基本相等。也就是說，被固定層143的磁性厚度和被固定層141的磁性厚度最好是彼此相符。舉例來說，如果被固定層141、143由相同材料形成的話，被固定層141、143的厚度最好是基本相等。作為另一例采用具有bcc結(jié)構(gòu)的Fe50Co50[2.5nm]作為被固定層143的材料的話，由于薄膜中的FeCo的飽和磁化為約2.2T，所以被固定層143的磁性厚度為2.2T×2.5nm＝5.5Tnm。由于Co90Fe10的飽和磁化為約1.8T，所以其給出的磁性厚度與被固定層143的磁性厚度相等的被固定層141其厚度為5.5Tnm/1.8T＝3.0nm。因此，最好是采用厚度為大約3.0nm的Co90Fe10作為被固定層141的材料。
作為被固定層141使用的磁性層其厚度最好為約1.5nm至約5nm。該厚度范圍是鑒于對(duì)固定層13(例如IrMn)所賦予的單向各向異性磁場場強(qiáng)以及經(jīng)由磁耦合層142(例如Ru)以反鐵磁方式耦合的被固定層141和被固定層143的磁場場強(qiáng)的考慮而認(rèn)為是理想的。
固定層13如果由硬磁層形成的話，還能夠起到被固定層141的功能。即，固定層13和被固定層141可以組合在一起作為組合層，可采用CoPt等材料所形成的厚度為約2nm至約5nm的硬磁層。
磁耦合層142(例如Ru)具有通過使上下磁性層(被固定層141、143)以反鐵磁方式耦合來形成合成被固定結(jié)構(gòu)的功能。作為磁耦合層142的Ru層其厚度最好為0.8nm至1nm。可以采用能夠在上下磁性層之間引起足夠的反鐵磁耦合的任何材料來替代Ru。可使用與RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida)耦合的第一峰值相對(duì)應(yīng)的厚度0.3nm至0.6nm，替代與RKKY耦合的第二峰值相對(duì)應(yīng)的厚度0.8nm至1nm。這里可行的磁耦合層142的材料的實(shí)例是能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)高可靠性耦合的0.9nm Ru。
作為被固定層143的實(shí)例，可采用具有2nm厚度的諸如Co90Fe10的磁性層。該被固定層143構(gòu)成自旋相依散射單元其中一部分。該被固定層143是對(duì)磁阻效應(yīng)具有貢獻(xiàn)的磁性層，并且為了獲得高磁阻率，其材料組成及其厚度兩者均很重要。具體來說，由于其對(duì)自旋相依界面散射的貢獻(xiàn)，位于與外部磁場檢測層15的界面上的磁性材料尤為重要。
也可采用bcc-FeCo替代常規(guī)的fcc-Co90Fe10作為被固定層143的材料。bcc-FeCo合金的實(shí)例包括FexCo100-x(x＝30％至100％)以及對(duì)其加入附加元素的FexCo100-x。同樣也可采用hcp-Co合金。此外，作為被固定層143的材料可采用諸如Co、Fe、或Ni這類金屬元素，也可以采用包含上述元素其中至少一種的合金材料。
被固定層143的總厚度最好為1.5nm或者以上。如果該被固定層143是bcc磁性層的話，旋閥膜所用的金屬材料往往具有fcc結(jié)構(gòu)或fct結(jié)構(gòu)。因此，有可能存在只是被固定層143具有bec結(jié)構(gòu)的情況。在這種情況下，如果被固定層143太薄的話，難以穩(wěn)定保持bcc結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致特性不穩(wěn)定。因此，被固定層143的厚度最好為1.5nm或以上。
但被固定層143由Co、fcc-CoFe合金等材料形成的話，該被固定層143的厚度可減小為約1nm。這種情況下，旋閥膜的總厚度可以減小，這樣有助于對(duì)間隙減小的適應(yīng)。如稍后所說明的那樣，磁阻效應(yīng)的物理原理與常規(guī)旋閥膜中所用的GMR效應(yīng)(包括CIP-GMR和CPP-GMR，其中CIPCurrent-in-plane(電流在平面內(nèi))，CPPCurrent-perpendicular-to-plane(電流垂直于平面)，GMRGiant magneto-resistance(巨磁阻))以及TMR(tunneling magneto-resistance(隧道磁阻))效應(yīng)有所不同。因此，被固定層143即便是諸如1nm這般超薄，但有時(shí)仍可使用。
被固定層143的厚度最好為5nm或以下。這用于獲得較大的固定磁場。
作為被固定層143可采用其中磁性層(FeCo層)和非磁性層(超薄Cu層)交替層疊在一起的多層。
超薄Cu層的厚度較好為0.1nm至0.6nm，最好是0.2nm至0.5nm。Cu層厚度太大有時(shí)會(huì)減小體積散射效應(yīng)，并且會(huì)減弱上下磁性層經(jīng)由該非磁性Cu層的磁耦合，從而被固定層14只能呈現(xiàn)不夠充分的特性。超薄Cu層的優(yōu)選厚度為例如0.25nm。
作為磁性層之間的非磁性層的材料，也可采用Hf、Zr、Ti等替代Cu。在插入任何上述超薄非磁性層的情況下，F(xiàn)eCo等的磁性層其每一層的厚度較好為0.5nm至2nm，最好是約1nm至約1.5nm。
作為被固定層143，可使用FeCo和Cu的合金層替代其中FeCo層和Cu層交替層疊在一起的多層。這種FeCoCu合金的實(shí)例是(FexCo100-x)100-yCuy(x＝30％至100％、y＝約3％至約15％)，但可以使用其他成分。這里，作為加入到FeCo中的元素可采用諸如Hf、Zr、或Ti這類其他元素替代Cu。
作為被固定層14可使用非晶金屬層替代晶體材料。具體來說，可以使用CoFeB、CoZrNb、FeZrN、FeAlSi等。利用非晶合金層的一個(gè)優(yōu)勢在于，由于下列原因(1)和(2)各元素間往往很少有特性變化發(fā)生。
(1)沒有因晶粒表面的不規(guī)則而發(fā)生不規(guī)則性。
(2)即便是元素尺寸很小的情況下，也不需要考慮某一種元素中的晶粒數(shù)目的變化。
如果硬磁層用作固定層13的話，該硬磁層有時(shí)可起到固定層13/被固定層141/磁耦合層142/被固定層143這全部四層的作用。這種情況下如果將CoPt等的硬磁層用作固定層13的話，用作上述四層的硬磁層可形成為具有2nm至4nm厚度，這樣總膜厚可以大大減小。
外部磁場檢測層15設(shè)置于被固定層14上。外部磁場檢測層15具有與旋閥膜90的自由層96的功能相對(duì)應(yīng)的功能。在常規(guī)旋閥膜90中，沒有間隔層95介于被固定層94和自由層96兩者間，被固定層94和自由層96不可能層疊在一起。磁阻膜10能夠在不用間隔層95的情況下呈現(xiàn)磁阻效應(yīng)。
利用無間隔層的結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)勢在于，沒有如上文所述間隔層中傳導(dǎo)電子的自旋反轉(zhuǎn)這種影響。由于不需要考慮自旋反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因而能夠?qū)ψ杩棺兓蚆R比很容易得到較大數(shù)值，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)較高密度的適應(yīng)。
而且，由于不需要間隔層95，因而磁阻膜10的總厚度可減小?？梢孕纬删哂凶銐蛐〉暮穸纫赃m應(yīng)較窄間隙的磁阻元件。
作為外部磁場檢測層15可采用包括超薄氧化物層、氮化物層、或氧氮化物層這種結(jié)構(gòu)。作為形成氧化物、氮化物、氧氮化物等的基本材料，可采用Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、W、Ta等。
磁阻膜10其特征在于，外部磁場檢測層15直接形成于被固定層14上，兩者間沒有任何間隔層。如稍后將詳細(xì)說明的那樣，為了檢測外部磁場，外部磁場檢測層15需要與外部磁場相互作用(例如外部磁場檢測層15具有較弱磁性)?；诖四康模^好是將包含例如Pd或者諸如Ti、V、Cr、或Mn這類3d族非磁性過渡金屬元素作為主要組分的氧化物層、氮化物層、或氧氮化物層用作外部磁場檢測層15。此外，包含諸如Fe、Co、或Ni這類屬于能夠呈現(xiàn)磁性的單一元素的上述氧化物層、氮化物層、或氧氮化物層其中任何一種同樣優(yōu)選作為外部磁場檢測層15。此外，作為外部磁場檢測層15可使用超薄Zr、Mo、Ru、Rh、W、Ta、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、或Pd這種超薄氧化物層、氮化物層、或氧氮化物層，作為替代也可使用包含F(xiàn)e、Co、或Ni這種氧化物層、氮化物層、或氧氮化物層。
外部磁場檢測層15的厚度范圍較好為0.5nm至3nm，最好是1nm至2.5nm。如果外部磁場檢測層15太薄的話，難以呈現(xiàn)外部磁場檢測功能。而如果外部磁場檢測層15太厚的話，有時(shí)呈現(xiàn)出外部磁場檢測功能減弱，這是不希望的。
外部磁場檢測層15能夠檢測的外部磁場的量級(jí)是幾十至幾百[Oe]。即，隨外部磁場的方向，磁阻膜10會(huì)具有較高的阻抗或較低的阻抗。外部磁場檢測層15的一個(gè)期望例是以TiOx為基本材料、并包含F(xiàn)e或Co元素的TiOx-Co或TiOx-Fe層。如稍后將要說明的那樣，具有該結(jié)構(gòu)的磁阻膜10在施加有正向磁場的情況下會(huì)具有較低的阻抗，而在施加有大約100[Oe]的負(fù)向磁場的情況下則會(huì)具有較高的阻抗。
外部磁場檢測層15可以包含F(xiàn)e、Co、Ni、Ti、Hf、Mg、Zr、V、Mo、Si、Cr、Nb、Ta、W、B、C、V等作為添加元素。上述添加元素其中任何一種的加入量可以在0％至50％范圍內(nèi)適當(dāng)改變。
除了之前所述的氧化物、氮化物、或氧氮化物以外，作為外部磁場檢測層15的材料可采用包含Ti、V、Cr、Mn、或Pd作為主要組分的金屬材料，或者可采用除了任意上述元素以外包含諸如Fe、Co、Ni等這類元素的材料。上述材料很容易呈現(xiàn)弱磁性。具體來說，如本實(shí)施例那樣超薄薄膜被上下鐵磁材料夾住的這種結(jié)構(gòu)中，很容易呈現(xiàn)磁性。這種金屬材料不需要是氧化物、氮化物、或氧氮化物，而可以按原樣使用。
被固定層16設(shè)置于外部磁場檢測層15上。被固定層16的磁化方向固定，并且基本上不隨外部磁場變化。為了使該被固定層16的磁化方向固定，被固定層16較好是與被固定層14同樣其上具有固定層17。
不過，即便是沒有固定層17形成于被固定層16上，有時(shí)也會(huì)呈現(xiàn)磁阻效應(yīng)。舉例來說，如果外部磁場檢測層15薄至約1.5nm至約2nm甚至更小的話，即便是沒有固定層17的情況下也會(huì)有可能使被固定層16的磁化方向固定。即，其磁化由固定層13固定的被固定層14有時(shí)經(jīng)由外部磁場檢測層15與被固定層16磁耦合，從而使被固定層16的磁化方向固定。尚無法很清楚地了解當(dāng)外部磁場檢測層15檢測外部磁場時(shí)被固定層14、16會(huì)因何種機(jī)制而經(jīng)由外部磁場檢測層15處于強(qiáng)磁耦合狀態(tài)。
對(duì)于被固定層16來說可用與被固定層14情形相同的材料和厚度。舉例來說，可使用Co、Fe、或Ni這種單一元素；CoFe合金；NiFe合金；NiCo合金；或者包含Co、Fe、或Ni的合金材料。作為被固定層16的材料，同樣希望為fcc-CoFe合金、bcc-FeCo合金等。作為被固定層16可用2nm的Co90Fe10層。
與被固定層14同樣，被固定層16可以是非晶金屬層來替代晶體金屬層。具體來說，可使用CoFeB、CoZrNb、FeZrN、FeAlSi等。用非晶合金層的一個(gè)優(yōu)勢在于，由于下列原因(1)和(2)各元素間往往不會(huì)有特性變化發(fā)生。
(1)不會(huì)發(fā)生因晶粒表面的不規(guī)則而引起的不規(guī)則性。
(2)即便是元素尺寸很小的情況下，也不需要考慮某一種元素的晶粒數(shù)目變化這種問題。
如上文所述，固定層17較好是設(shè)置于被固定層16上從而呈現(xiàn)足夠的固定功能。在這種情況下，被固定層16可以具有與被固定層14情形相同的結(jié)構(gòu)。舉例來說，被固定層16可以具有利用Ru等的合成被固定結(jié)構(gòu)。此外，可采用IrMn、PtMn等反鐵磁層或者CoPt、CoPtCr等硬磁層固定該被固定層16。具體來說，該被固定層16可具有下列結(jié)構(gòu)(1)和(2)中的任一種。
(1)CoFe[2nm]/Ru
/CoFe[2nm]/IrMn[6nm](2)bcc-FeCo[2.5nm]/Ru
/CoFe[3.0nm]/IrMn[6nm] 同樣也可使用如同用于固定被固定層14的硬磁層作為固定層17，用于固定被固定層16。這種情況下，被固定層16可以是被固定層161/磁耦合層162/被固定層163這一多層結(jié)構(gòu)，可以具有諸如CoFe[2nm]/Ru
/CoPt[3.2nm]這類結(jié)構(gòu)。此時(shí)，可用CoPt的硬磁層替代反鐵磁層(固定層17)以及與該反鐵磁層相接觸的磁性層(被固定層163)。此外，同樣可避免設(shè)置磁耦合層162(Ru
)，可利用CoPt[3nm]替代CoFe[2nm]/Ru
/CoPt[3.2nm]作為被固定層16的材料。
遮蓋層18設(shè)置于固定層17或被固定層16上。作為遮蓋層18可使用Cu/Ta層、Ru/Ta層、Ta層等。在沒有提供固定層17的情形將遮蓋層18直接設(shè)置于被固定層16上的情況下，較好是有Cu層或Ru層設(shè)置于磁性層(被固定層16)上。此時(shí)Cu或Ru的厚度較好為約0nm至約2nm。作為遮蓋層18的材料，可采用Ta、Ti、Zr、W、Nb、Cr、Mo、V、或Hf，或者包含上述元素其中任何一種的合金材料，或包含上述元素其中任何一種的導(dǎo)電氧化物或氮化物。其厚度較好為約1nm至約5nm。
A.磁阻效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制(1) 下面說明如何在磁阻膜10中發(fā)生磁阻效應(yīng)的物理機(jī)制。但目前無法完全了解如何發(fā)生磁阻效應(yīng)的物理機(jī)制的某些部分。
R-H(阻抗-磁場)環(huán)路和M-H(磁化-磁場)環(huán)路的測定表明，當(dāng)磁阻效應(yīng)發(fā)生時(shí)被固定層16的磁化方向在沒有固定層17的情況下基本上固定。具體來說，經(jīng)由固定層13、被固定層14、以及外部磁場檢測層15使上磁性層(被固定層16)的磁化方向固定。
外部磁場檢測層15采用諸如TiOx這類通常認(rèn)為是非磁性的材料。但由于下列原因(1)至(3)，外部磁場檢測層15有可能呈現(xiàn)弱磁性。
-原因1)外部磁場檢測層15具有1.2nm這種非常薄的厚度，其上下側(cè)設(shè)置的被固定層14、16均為磁性層。因此，外部磁場檢測層15因交換長度(exchange length)而受到被固定層14、16的影響，從而會(huì)有可能呈現(xiàn)磁性。
-原因2)外部磁場檢測層15中包含的諸如Ti這類3d族過渡金屬元素會(huì)有可能使外部磁場檢測層15呈現(xiàn)磁性。
-原因3)因?yàn)橹T如Co或Fe這類磁性元素其中某一數(shù)量從被固定層14、16擴(kuò)散，所以外部磁場檢測層15會(huì)有可能包含磁性元素。
當(dāng)呈現(xiàn)磁性時(shí)，外部磁場檢測層15可以起到其磁化方向隨外部磁場變化的自由層的作用?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)外部磁場檢測層15具有的磁化方向與上下被固定層14、16的磁化方向相平行時(shí)，磁阻膜10具有較低的阻抗，而當(dāng)外部磁場檢測層15具有反向平行的磁化方向時(shí)，磁阻膜10便具有較高的阻抗。舉例來說，當(dāng)沒有施加磁場時(shí)，外部磁場檢測層15的磁化方向與被固定層14、16的磁化方向基本上正交。
但在目前通過VSM(vibrating sample magnetometer，振動(dòng)樣本磁強(qiáng)計(jì))所實(shí)現(xiàn)的磁化測定結(jié)果準(zhǔn)確度的條件下，尚未觀察到TiOx層的磁化。如果TiOx層的磁化存在的話，可以推測其非常小。
除了之前所述的氧化物層、氮化物層、或氧氮化物層以外，還可以采用很容易呈現(xiàn)弱磁性的、包含Ti、V、Cr、Mn、或Pd作為主要組分的金屬材料。其它元素可以加入到包含任何上述元素作為主要組分的金屬材料。這里主要組分是指其含量為50原子％(atomic％)或以上的組分。該定義同樣適用于其他說明。當(dāng)使用任何上述元素時(shí)，其厚度小至約1nm至約3nm的話，同樣因上下鐵磁材料(被固定層14、16)的影響而會(huì)有弱磁性即磁化發(fā)生。
B.磁阻效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制(2) 作為磁阻效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制(2)，可設(shè)想外部磁場檢測層15沒有磁化(因此不存在磁化隨外部磁場變化的情況)但檢測外部磁場的情況。下面說明這種情況的物理機(jī)制。
很有可能存在包含TiOx等作為主要組分的外部磁場檢測層15在不具有其感應(yīng)外部磁化的凈力矩的情況下檢測外部磁場這種情形。傳導(dǎo)電子在被固定層14、16之間流進(jìn)/流出。當(dāng)傳導(dǎo)電子通過外部磁場檢測層15時(shí)，傳導(dǎo)電子的自旋反轉(zhuǎn)發(fā)生一次而不會(huì)因?yàn)橥獠看艌龅挠绊懓l(fā)生多次。傳導(dǎo)電子流向的被固定層14、16其中任何一層和外部磁場檢測層15之間的界面中阻抗隨此時(shí)自旋的方向而變化。
圖4A和圖4B示出磁阻效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制(2)。
傳導(dǎo)電子從被固定層16流至被固定層14。圖4A中，施加的是與被固定層14、16的磁化方向正向平行的外部磁場H+，傳導(dǎo)電子的自旋并不反轉(zhuǎn)。這種狀態(tài)下，磁阻膜具有較低的阻抗。另一方面，圖4B中，施加的是與被固定層14、16的磁化方向反向平行的外部磁場H-，傳導(dǎo)電子的自旋在外部磁場檢測層15中反轉(zhuǎn)。這種狀態(tài)下，磁阻膜具有較高的阻抗。
這里，當(dāng)施加與被固定層14、16的磁化方向相平行的磁場H+時(shí)磁阻膜具有較低的阻抗，當(dāng)施加反向平行的磁場H-時(shí)磁阻膜具有較高的阻抗。但隨外部磁場檢測層15和被固定層14、16材料的選擇，這種關(guān)系會(huì)有可能相反。也就是說，在某些情況下，當(dāng)施加與被固定層14、16的磁化方向相平行的磁場H+時(shí)阻抗會(huì)變得較高，而當(dāng)施加反向平行的磁場H-時(shí)該阻抗會(huì)變得較低。
通常而言，傳導(dǎo)電子的自旋并不因外部磁場而直接反轉(zhuǎn)?？梢哉J(rèn)為，外部磁場檢測層15的內(nèi)側(cè)處于很容易因外部磁場而引起傳導(dǎo)電子的自旋直接反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。雖未了解該微觀機(jī)制的細(xì)節(jié)，但可以推斷外部磁場檢測層15較好是處于具有凈力矩狀態(tài)和無凈力矩狀態(tài)兩者間的臨界狀態(tài)。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，作為外部磁場檢測層15來說希望使用很容易呈現(xiàn)磁性的3d族過渡金屬的氧化物層、氮化物層、或氧氮化物層。
此外，作為外部磁場檢測層15的材料來說可使用包含很容易呈現(xiàn)磁性的Ti、Cr、V、Mn、或Pd金屬元素作為主要組分的金屬材料。
C.磁阻效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制(3) 即使是外部磁場檢測層15本身不具有磁化，也可推斷上下磁性層(被固定層14、16)經(jīng)由外部磁場檢測層15處于強(qiáng)磁耦合狀態(tài)(自耦合狀態(tài))。很有可能會(huì)發(fā)生該現(xiàn)象，其原因在于外部磁場檢測層15中對(duì)磁耦合具有貢獻(xiàn)的局部的電子的存在與因外部磁場而引起自旋反轉(zhuǎn)的傳導(dǎo)電子是分開的。
這種情況下，需要僅設(shè)置與被固定層14、16相對(duì)應(yīng)的固定層13、17其中的一層，可省略固定層13、17其中的另一層。由于經(jīng)由外部磁場檢測層15的磁耦合，其上未設(shè)置有固定層的被固定層14、16其中的一層與被固定層14、16其中的另一層自耦合。
由于固定層13、17其中的一層可以省略，因而磁阻膜10的總厚度可以減小。
此外，自耦合效應(yīng)所產(chǎn)生的好處在于，即便是僅設(shè)置有固定層13、17其中一層的情況下也可利用多層外部磁場檢測層15。具體來說，多層磁性層經(jīng)由多層外部磁場檢測層15磁耦合，并且全部上述磁性層可用作被固定層。對(duì)多層外部磁場檢測層15的使用表明存在多個(gè)自旋相依散射單元，從而可期望較高的磁阻率。
(磁阻元件的制造方法) 下面說明磁阻元件的制造方法。
如圖5中的流程圖所示，基底層12至遮蓋層18依次層疊于襯底上。上述各層層疊之后，被固定層14、16的磁化方向固定。磁化方向可以通過例如熱處理過程中施加磁場來固定。如稍后將要說明的那樣，當(dāng)采用硬磁層作為固定層13、17時(shí)，可通過施加幾十秒鐘至幾分鐘時(shí)間約10kOe至約15kOe量級(jí)的磁場來使被固定層14、16的磁化固定。
可應(yīng)用下列兩種方法(1)和(2)形成外部磁場檢測層15。
(1)形成了作為尚未經(jīng)過氧化、氮化、或者氧氮化的基底材料的金屬材料膜之后，使金屬材料的表面經(jīng)過氧化?？刹捎脼R射、沉積、MBE、離子束濺射、CVD等方法形成該金屬材料的膜。
(2)直接形成氧化物層、氮化物層、或氧氮化物層。可采用濺射、沉積、MBE、離子束濺射、CVD等方法形成該層。
這里，作為(1)中的表面氧化可采用自然氧化或能量輔助氧化。
1)在自然氧化過程中，形成基底材料的金屬膜之后，該薄膜的表面暴露于含氧或含氮?dú)怏w中。含氧或含氮?dú)怏w的實(shí)例是氧氣、氮?dú)?、氧和氮的混合氣體、氧氣和稀有氣體的混合氣體、氮?dú)夂拖∮袣怏w的混合氣體、以及氧氣、氮?dú)夂拖∮袣怏w的混合氣體。
2)在能量輔助氧化過程中，金屬材料由含氧或含氮?dú)怏w氧化、氮化或氧氮化，同時(shí)該膜表面受到離子束、等離子體等的照射。能量輔助氧化同樣包括通過加熱襯底來利用熱能的熱氧化方法。此外，可采用離子束或等離子體照射和加熱兩者組合的方法。
接下來說明用于制造磁阻元件的薄膜形成設(shè)備。
如圖6所示，薄膜形成設(shè)備包括分別經(jīng)由各閘門閥(gate valves)設(shè)置于過渡腔(TC)50周圍的負(fù)載固定腔51、預(yù)清洗腔52、第一金屬沉積腔(MC1)53、算二金屬沉積腔(MC2)54、以及氧化物層/氮化物層形成腔(OC)60。該薄膜形成設(shè)備中，襯底能夠在真空中在經(jīng)由閘門閥(gate valve)連接的各腔室間傳送，所以使該襯底表面保持潔凈。每個(gè)腔室的最終真空度希望處于10-8托至10-10托量級(jí)。出于實(shí)際應(yīng)用的角度來考慮，所希望的真空度一般處于10-9托量級(jí)。
金屬沉積腔53、54具有多靶(5至10)。薄膜形成方法的實(shí)例是諸如DC磁控濺射或RF磁控濺射、離子束濺射方法這類濺射方法、諸如CVD(Chemical Vapor Deposition(化學(xué)氣相沉積))方法、MBE(Molecular Beam Epitaxy(分子束外延生長))這類沉積方法等。
外部磁場檢測層15由氧化物層、氮化物層、以及氧氮化物層其中之一形成，因此在氧化物層/氮化物層形成室60中形成。如上文所述，外部磁場檢測層15可以用表面氧化方法形成，或者可以直接形成氧化物層/氮化物層/氧氮化物層。
(實(shí)例) 接下來說明本發(fā)明其中一例。該例的磁阻膜10的結(jié)構(gòu)具有下列結(jié)構(gòu)-下電極11-基底層12(緩沖層12a/種子層12b)Ta[5nm]/Ru[2nm]
-固定層13PtMn[15nm]-被固定層14(被固定層141/磁耦合層142/被固定層143)CoFe[3nm]/Ru
/CoFe[3nm]-外部磁場檢測層15TiOx[2nm]-被固定層16(被固定層161/磁耦合層162/被固定層163)CoFe[3nm]/Ru
/CoFe[3nm]-固定層17PtMn[15nm]-遮蓋層18Ta[5nm] 形成旋閥膜之后，在10kOe磁場中進(jìn)行4小時(shí)的290度熱處理來改善結(jié)晶性并實(shí)現(xiàn)規(guī)則的PtMn。此后，旋閥膜的元件尺寸由光刻工藝限定，并形成上電極20。
與TiOx(外部磁場檢測層15)相接觸的上下CoFe層(被固定層143和被固定層161)的磁化方向固定為相同方向。此外，上述CoFe層(被固定層143和被固定層161)經(jīng)由Ru(磁耦合層142、磁耦合層162)以反鐵磁(反向平行)的方式處于與設(shè)置于其上下外部側(cè)的CoFe層(被固定層141和被固定層163)強(qiáng)磁耦合的狀態(tài)。
上述CoFe層(被固定層143和被固定層161)由設(shè)置于其外側(cè)的IrMn層(固定層13、17)固定。固定方向由前文所述的磁性熱處理過程中所施加的磁場的值來調(diào)整。
這里采用反鐵磁層作為固定層13。但作為替代，也可以采用硬磁層作為固定層13。這種情況下，有可能通過在室溫下施加約10[kOe]至約15[kOe]的鐵磁場而不是通過在熱處理過程中施加磁場來使固定層13磁化。在硬磁層用于固定的情況下，較好是在旋閥膜形成之后進(jìn)行用于改善結(jié)晶性的熱處理。
如稍后所說明的那樣，也可使用反鐵磁層和硬磁層兩者來分別固定上下被固定層14、16。這種情況下，反鐵磁層和硬磁層可以分別被磁化。由反鐵磁層固定的過程中，通過磁性熱處理過程中所施加的磁場的方向來調(diào)整磁化方向。而由硬磁層固定的過程中，可通過磁性熱處理之后10kOe至15kOe的磁化工藝按任意方向使被固定層磁化，而不需要考慮反鐵磁層所固定的磁化方向如何。舉例而言，可使硬磁層的磁化按與反鐵磁層所固定的磁化方向反向平行的方向固定。
該例中的磁阻膜10在施加有正向方向(與被固定層161、143的磁化方向相平行的磁化方向)的磁場時(shí)具有較低的阻抗，而施加有大約100[Oe]的反向方向(與被固定層161、143的磁化方向反向平行的磁化方向)的磁場時(shí)則具有較高的阻抗。該例的磁阻膜10中，面阻抗RA為4000[mΩμm2]，并且磁阻率MR為16％。面積阻抗RA的數(shù)值非常大，但可以通過材料和工藝的優(yōu)化來減小。
圖7是一例磁阻膜的剖面TEM照片。由圖7可知，TiOx層(外部磁場檢測層15)沿CoPe層(被固定層143)的晶粒形成。該TiOx層是連續(xù)的，沒有任何針孔(pinhole)。外部磁場檢測層15因而是連續(xù)的，所以即便是元件尺寸微小至50nm或更小，每個(gè)元件的變化也有所減小。
下面說明磁阻膜10的特性如何隨制作條件而變化。
圖8是示出當(dāng)磁阻膜10中形成有TiOx層(外部磁場檢測層15)時(shí)氧氣流量和磁阻率MR兩者間相關(guān)性的圖表。此時(shí)的薄膜結(jié)構(gòu)與上述實(shí)例的結(jié)構(gòu)相同。
由圖8可知，當(dāng)氧氣供應(yīng)量較小(氧化不充分)時(shí)，觀察不到磁阻率MR的增加。當(dāng)氧氣供應(yīng)量達(dá)到一定值時(shí)，磁阻率急劇增加。而當(dāng)氧氣供應(yīng)量太大時(shí)，磁阻率MR急劇降低。也就是說，為了使磁阻膜10具有更好的特性，需要適當(dāng)選擇形成外部磁場檢測層15的氧化條件。
(磁阻膜的多層結(jié)構(gòu)) 接下來說明磁阻膜的多層結(jié)構(gòu)。如上文所述，被固定層14/外部磁場檢測層15/被固定層16這三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成磁阻膜10的基本結(jié)構(gòu)，但該多層結(jié)構(gòu)可有所變化。
-多層膜結(jié)構(gòu)A上下被固定層14、16兩者均具有合成被固定結(jié)構(gòu)的情形。
圖9至圖14是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜10AA至10AF其結(jié)構(gòu)例的立體圖。圖9至圖14中的各結(jié)構(gòu)與圖2所示的結(jié)構(gòu)基本相同。如同固定層13、17，反鐵磁層131、171和硬磁層132、172是按可變方式組合的。
磁阻膜10AA中，反鐵磁層131、171用作上下固定層13、17。因此，上下反鐵磁層(被固定層14、16)的固定作用由磁性退火過程中所施加的磁場的方向確定。因此，被固定層141、163具有相同的磁化方向。與外部磁場檢測層15相接觸的被固定層143、161其磁化方向與被固定層141、163的磁化方向反向平行，并且基本相同。作為固定層131、171，可以采用IrMn、PtMn、PdPtMn、NiMn、RuMn、RhMn、RuRhMn等的金屬反鐵磁層等。
磁阻膜10AB中，上下被固定層14、16由硬磁層132、172固定。可用作硬磁層132、172的材料包括其主要組分為hcp-Co的Co、Co合金、CoPt、CoPrCr合金、FePt以及加入有添加元素的任何上述材料。
磁阻膜10AC中，反鐵磁層131用作固定層13，而硬磁層172則用作固定層17。前面所述的材料可用于反鐵磁層131和硬磁層172。這里，與外部磁場檢測層15相接觸的被固定層143、161的磁化方向與磁阻膜10AB的磁化方向相同。硬磁層172的磁化固定從而實(shí)現(xiàn)這樣一種磁化配置狀態(tài)。這里，硬磁層172和被固定層163可以是分開的磁性層，或者單層材料可以起到兩者的功能。為兩層分開層的話，可獨(dú)立設(shè)計(jì)具有硬磁特性的磁性層(硬磁層172)和有利于改善磁阻率的磁性層(被固定層163)。
磁阻膜10AD具有與磁阻膜10AC基本相同的結(jié)構(gòu)，但硬磁層172的磁化固定方向與磁阻膜10AC的情形相反。也就是說，硬磁層172的磁化被固定成使得與外部磁場檢測層15相接觸的被固定層143、161的磁化方向彼此反向平行。如同磁阻膜10AA中的情形，將反鐵磁層131、171用作各自的固定層13、17，使得被固定層143、161具有相同的磁化方向。而當(dāng)使用硬磁層172時(shí)，可通過在磁性熱處理之后施加較大的磁場來使磁化在任何方向上固定。這樣可以實(shí)現(xiàn)諸如磁阻膜10AC、磁阻膜10AD這類結(jié)構(gòu)變形。
磁阻膜10AE、磁阻膜10AF的結(jié)構(gòu)中，磁阻膜10AC、磁阻膜10AD的上下固定層彼此互換。硬磁層132設(shè)置于外部磁場檢測層15的下側(cè)。如同磁阻膜10AC、磁阻膜10AD，磁阻膜10AE和磁阻膜10AF中硬磁層132的磁化固定方向彼此相反。
磁阻膜10AE、10AF的結(jié)構(gòu)與磁阻膜10AC、10AD的結(jié)構(gòu)在下列方面有所不同。具體來說，磁阻膜10AE、10AF的結(jié)構(gòu)中，硬磁層132設(shè)置于基底層一側(cè)。因此，對(duì)于硬磁層132下方的基底層12來說，可選擇加強(qiáng)硬磁性的基底材料。舉例來說，作為基底層12可以選用包含Cr、W、V等并具有bcc結(jié)構(gòu)的金屬層，來實(shí)現(xiàn)硬磁層的面內(nèi)磁化方向。此外，作為基底層12可以采用適合于使硬磁層132成為具有垂直于平面的磁化方向的垂直磁化膜的材料。可以用作垂直磁化膜的材料為包含Co的合金，具體來說CoCr或CoCrPt；這兩種其中具有添加元素的任一種合金；FePt等。
-多層膜結(jié)構(gòu)B上下被固定層14、16均具有單層被固定結(jié)構(gòu)的情形 圖15至圖20是示出其中上下被固定層均具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜10BA至10BF的結(jié)構(gòu)例的立體圖。磁阻膜10BA至10BF與磁阻膜10AA至10AF基本相同，不同之處在于上下被固定層14、16均具有單層被固定結(jié)構(gòu)。
用單層被固定結(jié)構(gòu)替代合成被固定結(jié)構(gòu)能夠減小旋閥膜的總厚度。但不用該合成結(jié)構(gòu)則存在被固定磁場比用合成被固定結(jié)構(gòu)的情形弱這種可能。根據(jù)所需的技術(shù)規(guī)范，可有選擇地適用磁阻膜10AA至10AF的結(jié)構(gòu)和磁阻膜10BA至10BF的結(jié)構(gòu)。
磁阻膜10BA中，反鐵磁層131、171分別用作上下固定層13、17。上下反鐵磁層131、171的固定由磁性退火過程中所施加的磁場其方向確定。因此，被固定層14、16的磁化方向相同。這里可用作反鐵磁層131、171的實(shí)例為IrMn、PtMn、PdPtMn、NiMn、RuMn、RhMn、或RuRhMn的金屬反鐵磁層。
磁阻膜10BB中，上下被固定層14、16分別由硬磁層132、172固定。此時(shí)，硬磁層132、172同樣可起到被固定層的功能。就硬磁層132、硬磁層172而言，也可以采用其主要組分為hcp-Co的Co、Co合金、CoPt、CoPrCr合金或FePt，或者也可以采用加有添加元素的任何上述材料。
磁阻膜10BC中，反鐵磁層131用作固定層13，而硬磁層172用作固定層17。反鐵磁層131和硬磁層172可以由上述材料形成。這里，與外部磁場檢測層15相接觸的被固定層143、161的磁化方向彼此反向平行。硬磁層172的磁化方向固定從而實(shí)現(xiàn)這樣一種磁化配置方向。這里，硬磁層172和被固定層161可以是分開的磁性層，或者單層材料可起到兩者的功能。硬磁層172和被固定層161為兩層分開層的話，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)具有硬磁特性的磁性層(硬磁層172)和有利于改善磁阻率的磁性層(被固定層163)。
磁阻膜10BD具有與磁阻膜10BC基本相同的結(jié)構(gòu)，但硬磁層172的磁化固定方向與磁阻膜10BC情形相反。也就是說，硬磁層172的磁化被固定成使得與外部磁場檢測層15相接觸的被固定層143、161的磁化方向彼此平行。如同磁阻膜10BA中的情形，反鐵磁層131、171將合成被固定結(jié)構(gòu)用作固定層13、17兩者，使得被固定層143、161具有相同的磁化方向。另一方面，用硬磁層172的話，可通過在磁性熱處理之后施加較大的磁場來使磁化固定在任何方向上。這可以實(shí)現(xiàn)諸如磁阻膜10BC、磁阻膜10BD這類結(jié)構(gòu)變形。
磁阻膜10BE、10BF的結(jié)構(gòu)中，磁阻膜10BC、10BD的上下層彼此互換。硬磁層132設(shè)置于外部磁場檢測層15的下側(cè)。如同磁阻膜10BC、10BD情形，磁阻膜10BE、10BF中硬磁層132的磁化固定方向彼此相反。
磁阻膜10BE、10BF的結(jié)構(gòu)與磁阻膜10BC、10BD的結(jié)構(gòu)在下列方面有所不同。具體來說，磁阻膜10BE、10BF的結(jié)構(gòu)中，硬磁層132設(shè)置于基底層12一側(cè)。因此，對(duì)于硬磁層132下方的基底層12而言，可選用加強(qiáng)硬磁性的基底材料。舉例來說，作為基底層12可以選用包含Cr、W、V等并具有bcc結(jié)構(gòu)的金屬層來實(shí)現(xiàn)硬磁層132的面內(nèi)磁化方向。此外，作為基底層12可采用適合于使硬磁層132成為具有垂直于平面的磁化方向的垂直磁化膜的材料。與前文所述的情形同樣，可以用作垂直磁化膜的材料為包含Co的合金，具體來說是CoCr或CoCrPt；這兩種中具有添加元素的任一種合金；FePt等。
-多層膜結(jié)構(gòu)C被固定層14具有合成被固定結(jié)構(gòu)，而被固定層16具有單層被固定結(jié)構(gòu)的情形 圖21至圖25是示出其中上下被固定層其中一層具有合成被固定結(jié)構(gòu)而另一層則具有單層被固定結(jié)構(gòu)的磁阻膜10CA至10CE的結(jié)構(gòu)例的立體圖。圖21至圖25所示的磁阻膜10CA至10CE中，被固定層14具有合成被固定結(jié)構(gòu)，被固定層16具有單層被固定結(jié)構(gòu)。
磁阻膜10CA中，反鐵磁層131、171用作上下固定層13、17。上下反鐵磁層131、171的固定方向由磁性退火過程中所施加的磁場的方向確定。因此，被固定層141、被固定層161的磁化方向相同。
但與磁阻膜10AA至10AF的情形有所不同，該被固定層16不具有合成被固定結(jié)構(gòu)。因此，即便是反鐵磁層131、171所固定的磁化方向相同，與外部磁場檢測層15相接觸的被固定層143、161其磁化方向也彼此反向平行。這里可用作反鐵磁層131、171的實(shí)例為IrMn、PtMn、PdPtMn、NiMn、RuMn、RhMn、或RuRhMn等的金屬鐵磁層。
磁阻膜10CB中，反鐵磁層131用作固定層13，而硬磁層172則用作固定層17?？捎米饔泊艑?72的材料的實(shí)例包括其主要組分為hcp-Co的Co、Co合金、CoPt、CoPrCr合金、FePt，或者加有添加元素的任何上述材料。
磁阻膜10CC中，如同磁阻膜10CB情形，反鐵磁層131用作固定層13，而硬磁層172用作固定層17。反鐵磁層131和硬磁層172可以由上述材料形成。這里，與外部磁場檢測層15相接觸的被固定層143、161的磁化由硬磁層172固定從而彼此平行。這里，硬磁層172和被固定層161可以是分開的磁性層，或者單層材料可起到兩者的功能。硬磁層172和被固定層161為兩層分開層的話，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)具有硬磁特性的磁性層(硬磁層172)和有利于改善磁阻率的磁性層(被固定層161)。
磁阻膜10CD的結(jié)構(gòu)中，磁阻膜10CB中的上下側(cè)彼此互換。也就是說，硬磁層132用作固定層13，而反鐵磁層171用作固定層17。硬磁層132設(shè)置于基底層12一側(cè)，所以就硬磁層132下方的基底層12而言，可以選用加強(qiáng)硬磁性的基底材料。舉例來說，作為基底層12可用例如包含Cr、W、V等并具有bcc結(jié)構(gòu)的金屬層，從而實(shí)現(xiàn)硬磁層132的面內(nèi)磁化方向。此外，作為基底層12可使用適合于使硬磁層132具有垂直磁化方向的材料。
磁阻膜10CE中，硬磁層132固定的磁化方向與磁阻膜10CD情形相反。磁阻膜10CE在外部磁場檢測層15的上下兩側(cè)的被固定層143、161的磁化固定方向上與磁阻膜10CD有所不同。
-多層膜結(jié)構(gòu)D被固定層14具有單層被固定結(jié)構(gòu)，而被固定層16具有合成被固定結(jié)構(gòu)的情形 圖26至圖30是示出除了被固定層14具有單層被固定結(jié)構(gòu)而被固定層16具有合成被固定結(jié)構(gòu)以外、其他均與磁阻膜10CA至10CF相同的磁阻膜10DA至10DE的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
-多層膜結(jié)構(gòu)E存在單一固定層的情形 圖31至圖34是示出因機(jī)制(3)而發(fā)生磁阻效應(yīng)的磁阻膜10EA至10ED的結(jié)構(gòu)例的立體圖。磁阻膜10EA至磁阻膜10ED中，外部磁場檢測層15上下側(cè)的磁性層(被固定層143、161)處于彼此經(jīng)由外部磁場檢測層15強(qiáng)磁耦合的狀態(tài)。這種情況下，由于被固定層143、161彼此經(jīng)由外部磁場檢測層15的強(qiáng)磁耦合，固定層13、17其中之一可以省略。
磁阻膜10EA、10EB中，固定層13僅設(shè)置于被固定層14一側(cè)，而該被固定層14被磁固定。磁阻膜10EA將反鐵磁層131用作固定層13，并具有合成被固定結(jié)構(gòu)。磁阻膜10EB將硬磁層132用作固定層13，并具有合成被固定結(jié)構(gòu)。由于與被固定層143的磁耦合，因而被固定層161的磁化固定。結(jié)果是，固定層13被固定層14、16共用。
磁阻效應(yīng)膜10EC、10ED中，固定層17僅設(shè)置于被固定層16一側(cè)，該被固定層16按磁方式固定。磁阻膜10EC將反鐵磁層171用作固定層17，并具有合成被固定結(jié)構(gòu)。磁阻膜10ED將硬磁層172用作固定層17，并具有合成被固定結(jié)構(gòu)。
磁阻膜10EA至10ED均為具有合成被固定結(jié)構(gòu)的實(shí)例。作為合成被固定結(jié)構(gòu)的替代，也可用單層被固定結(jié)構(gòu)。
-多層膜結(jié)構(gòu)F設(shè)置有多層外部磁場檢測層15的情形 圖35和圖36所示的磁阻效應(yīng)膜10FA、10FB分別具有多層外部磁場檢測層15。
該結(jié)構(gòu)在因機(jī)制(3)而發(fā)生磁阻效應(yīng)的情況下有效。在設(shè)置有多層外部磁場檢測層15的情況下，由于多層膜結(jié)構(gòu)，某些被固定層不會(huì)與固定層13直接接觸。但因機(jī)制(3)而發(fā)生磁阻效應(yīng)的話，上下磁性層(被固定層)處于經(jīng)由外部磁場檢測層15磁耦合的狀態(tài)。這使得這種結(jié)構(gòu)成為可能。這種結(jié)構(gòu)中，屬于發(fā)生磁阻效應(yīng)的重要層的外部磁場檢測層15按多層設(shè)置，這樣可以隨層數(shù)增加磁阻率。
磁阻膜10FA將反鐵磁層131用作固定層13，并具有合成被固定結(jié)構(gòu)。但作為反鐵磁層131的替代，可以將硬磁層132用作固定層13。
外部磁場檢測層15a設(shè)置于具有合成被固定結(jié)構(gòu)的被固定層14上，其上設(shè)置有被固定層161a。被固定層143和該被固定層161a處于經(jīng)由外部磁場檢測層15a強(qiáng)磁耦合的狀態(tài)。
被固定層161a上設(shè)置有外部磁場檢測層15b和被固定層161b。被固定層161a、161b經(jīng)由外部磁場檢測層15b靠固定層13固定。
具體來說，僅利用單個(gè)固定層13，便可經(jīng)由外部磁場檢測層15a、15b固定多層被固定層161a、161b的磁化。由于存在多層外部磁場檢測層15a、15b，可與外部磁場檢測層的數(shù)目成正比增加磁阻率。
與磁阻膜10FA同樣，磁阻膜10FB在下層一側(cè)具有單個(gè)固定層13，并具有合成被固定結(jié)構(gòu)。磁阻膜10FB將反鐵磁層131用作固定層13。但作為反鐵磁層131的替代，可使用硬磁層132。
磁阻膜10FB中，外部磁場檢測層15的數(shù)目比磁阻膜10FA的情形多一層，從而其總數(shù)目為3層。由于外部磁場檢測層15數(shù)目的增加，磁阻率可以具有較大的數(shù)值。被固定層161a至161c經(jīng)由多層外部磁場檢測層15a、15b、15c靠固定層13固定。
(磁阻元件的應(yīng)用) 接下來說明本發(fā)明實(shí)施例的磁阻元件(無間隔層自旋閥元件)的應(yīng)用。
本實(shí)施例中，從適應(yīng)于高密度的角度出發(fā)，無間隔層自旋閥元件的元件阻抗RA較好為2000mΩμm2或以下，最好是1000mΩμm2或以下。CPP元件的阻抗R與旋閥膜的電流導(dǎo)通部分的有效面積A相乘，以便計(jì)算元件阻抗RA。這里可直接測定元件阻抗R。而自自旋閥膜的電流導(dǎo)通部分其有效面積A是與元件結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)值，有效面積A的數(shù)值必須仔細(xì)確定。
舉例來說，在整個(gè)旋閥膜形成有布圖作為有效檢測區(qū)域的情況下，整個(gè)旋閥膜其面積是有效面積A。這種情況下，從合適設(shè)定元件阻抗的角度考慮，旋閥膜的面積最多設(shè)定為0.04μm2或以下，并且對(duì)于200Gbpsi或以上這種記錄密度而言，該面積設(shè)定為0.02μm2或以下。
但面積比旋閥膜小的下電極11或上電極20形成為與自自旋閥膜相接觸的話，下電極11或上電極20的面積便為旋閥膜的有效面積A。下電極11和上電極20其面積有所不同的話，較小電極的面積便為旋閥膜的有效面積A。這種情況下，從合適設(shè)定元件阻抗的角度考慮，較小電極其面積最多設(shè)定為0.04μm2或以下。
下面詳細(xì)說明的圖37和圖38所示例中，由于圖37中的旋閥膜中面積最小的部分是與上電極20相接觸的部分，因而該部分的寬度定義為軌跡寬度Tw。至于高度方向，與圖38中的上電極20相接觸的部分同樣最小，因此該部分的寬度定義為高度長D。旋閥膜的有效面積A定義為A＝Tx×D。
本實(shí)施例的磁阻元件中，各電極之間的阻抗R可設(shè)定為100Ω或以下。該阻抗R是例如附接于HGA(head gimbal assembly，磁頭懸架組件)的尖端上的再生磁頭的兩個(gè)電極盤間所測定的阻值。
本實(shí)施例的磁阻元件，當(dāng)被固定層14、16具有fcc結(jié)構(gòu)時(shí)希望具有fcc(111)取向。被固定層14、16具有bcc結(jié)構(gòu)的話，希望為Bcc(110)取向。被固定層14、16具有hcp結(jié)構(gòu)的話，希望為Hcp(001)取向或hcp(110)取向。
至于本實(shí)施例的磁阻元件的晶體取向，該取向的散射角較好為5.0°以內(nèi)，較理想的為3.5°以內(nèi)，最好是3.0°以內(nèi)。可以通過利用X射線衍射的θ-2θ測定所獲得的峰值位置的搖擺曲線的半值寬度來求得該值。同樣可以作為來自元件剖面的納米衍射光點(diǎn)中的光點(diǎn)散射角求得該值。
反鐵磁層用作固定層13的話，雖取決于反鐵磁膜的材料，但反鐵磁膜和被固定層的晶格間距一般有所不同，因此反鐵磁膜的取向散射角和被固定層的取向散射角可以分別計(jì)算。舉例來說，IrMn和被固定層往往晶格間距不同。由于IrMn為相對(duì)較厚的薄膜，因而屬于適合對(duì)晶體取向的散射角進(jìn)行測定的材料。
(磁頭) 圖37和圖38示出本實(shí)施例的磁阻元件組裝于磁頭中的狀態(tài)。圖37是磁阻元件沿面向磁記錄介質(zhì)(未圖示)的空氣承載面ABS其基本上平行方向剖切的狀態(tài)的剖面圖。圖38是磁阻元件沿空氣承載面ABS其垂直方向剖切的狀態(tài)的剖面圖。
圖37和圖38作為一例所示的磁頭具有所謂的硬對(duì)接結(jié)構(gòu)。磁阻膜10是前文所述的無間隔層旋閥膜。上電極20和下電極11分別設(shè)置于磁阻膜10的上側(cè)和下側(cè)。圖37中，有偏置場施加膜41和絕緣膜42分別層疊于磁阻膜10的兩側(cè)。如圖38所示，遮蓋層43形成于磁阻膜10的空氣承載面ABS上。
按箭頭A所示在薄膜平面的基本垂直方向上由磁阻膜10其上下兩側(cè)設(shè)置的上電極20和下電極11提供對(duì)磁阻膜10的檢測電流。此外，由左右位置設(shè)置的成對(duì)的偏置場施加膜41、41對(duì)磁阻膜10加上偏置磁場同樣也是優(yōu)選例。通過該偏置磁場在磁阻膜10的外部磁場檢測層15中形成單個(gè)磁疇。結(jié)果是，外部磁場檢測層15的磁疇結(jié)構(gòu)得到穩(wěn)定，并且可以減小隨磁疇壁移動(dòng)所產(chǎn)生的Barkhousen噪聲。但外部磁場檢測層15(在因機(jī)制(1)、(2)而發(fā)生磁阻效應(yīng)的情況下)沒有磁化的話，該偏置場施加膜有時(shí)可以省略。
磁阻膜10應(yīng)用于磁頭時(shí)，由于其得以提高的信噪比(S/N比)，因而可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的磁再生。
(硬盤和磁頭懸架組件) 圖37和圖38所示的磁頭能夠組裝于記錄/再生一體型的磁頭組件中，該磁頭組件進(jìn)而可安裝到磁記錄/再生設(shè)備中。
圖39中所示的本實(shí)施例的磁記錄/再生設(shè)備150使用旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器。圖39中，磁盤200裝載于主軸152上，并由響應(yīng)未圖示的驅(qū)動(dòng)控制部輸出的控制信號(hào)的未圖示的電動(dòng)機(jī)按照箭頭A的方向旋轉(zhuǎn)。本實(shí)施例的磁記錄/再生設(shè)備150可包括多個(gè)磁盤200。
用于記錄/再生磁盤200上存儲(chǔ)的信息的磁頭浮動(dòng)塊153附接于薄膜懸架154的尖端。磁頭浮動(dòng)塊153在其尖端附近具有包括任一前文所述實(shí)施例的磁阻元件在內(nèi)的磁頭。
磁盤200旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁頭浮動(dòng)塊153的空氣承載面ABS相對(duì)于磁盤200的表面以預(yù)定高度保持懸浮。作為替代，磁頭浮動(dòng)塊153也可以是會(huì)與磁盤200相接觸的所謂“接觸式”浮動(dòng)塊。
懸架154與致動(dòng)臂155其中一端相連接。致動(dòng)臂155其中另一端則設(shè)置有屬于線性電機(jī)類型的音圈電動(dòng)機(jī)156。該音圈電動(dòng)機(jī)156包括下列組成部分卷繞于繞線管上的未圖示的驅(qū)動(dòng)線圈；以及包括彼此對(duì)置并夾有該驅(qū)動(dòng)線圈的永磁鐵和對(duì)置磁軛的磁路。
致動(dòng)臂155由主軸157其上下兩側(cè)的兩處位置設(shè)置的未圖示的球軸承等所保持，可由音圈電動(dòng)機(jī)156旋轉(zhuǎn)/浮動(dòng)。
如圖40所示，組件160具有致動(dòng)臂155，懸架154與致動(dòng)臂155其中一端相連接。懸架154的尖端附接有設(shè)置有包括任一前文所述實(shí)施例的磁阻元件在內(nèi)的磁頭的磁頭浮動(dòng)塊153。懸架154具有用于信號(hào)讀寫的引線164，并且該引線164與磁頭浮動(dòng)塊153中所組裝的磁頭其各電極電連接。圖40中的參照標(biāo)號(hào)165標(biāo)注該組件160的各電極盤。
本實(shí)施例的磁記錄/再生設(shè)備，所具有的磁頭其中包括前文所述的磁阻元件，因此能夠可靠讀取具有高記錄密度的磁盤200上以磁方式記錄的信息。
(磁存儲(chǔ)器) 接下來說明包括任一前文所述實(shí)施例的磁阻元件在內(nèi)的磁存儲(chǔ)器。具體來說，對(duì)任一實(shí)施例的磁阻元件的使用可以實(shí)現(xiàn)例如其中存儲(chǔ)單元按矩陣形式配置的MRAM(magnetic random access memory，磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)這類磁存儲(chǔ)器。
圖41中所示的本實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器具有其中存儲(chǔ)單元按陣列形式配置的電路配置。設(shè)置有列譯碼器350和行譯碼器351用于選擇陣列中的一個(gè)數(shù)字位，并通過選擇特定位線334和特定字線332，來導(dǎo)通并唯一性地選擇開關(guān)晶體管330。讀出放大器352檢測該選擇，由此能夠讀出磁阻膜10中磁記錄層(自由層)上記錄的位信息。要寫入位信息，則使寫入電流通過特定讀取字線323和位線322，從而施加所產(chǎn)生的磁場。
圖42中所示的本實(shí)施例的另一例磁存儲(chǔ)器中，分別由譯碼器360、361選擇位線322其中一個(gè)特定位線和字線334其中一個(gè)特定字線，其中位線322和字線334按矩陣形式配置。因此從該陣列當(dāng)中選中一特定的存儲(chǔ)單元。每個(gè)存儲(chǔ)單元具有磁阻膜10和二極管D串聯(lián)連接這種結(jié)構(gòu)。這里，二極管D用于防止檢測電流流至所選定的磁阻膜10相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元以外的其他存儲(chǔ)單元。要寫入信息，則使寫入電流通過特定位線322和字線323，從而施加所產(chǎn)生的磁場。
圖43和圖44中所示的結(jié)構(gòu)與圖41或圖42所示的磁存儲(chǔ)器中包括的單個(gè)位的存儲(chǔ)單元相對(duì)應(yīng)。該存儲(chǔ)單元具有存儲(chǔ)元件部311和地址選擇晶體管部312。
存儲(chǔ)元件部311具有磁阻膜10和與其連接的一對(duì)導(dǎo)線322、324。磁阻膜10是任意前文所述實(shí)施例的磁阻元件。
地址選擇晶體管部312中，設(shè)置有通過通孔326和埋線328與磁阻膜10連接的晶體管330。晶體管330隨加到控制極332上的電壓進(jìn)行開關(guān)操作來控制磁阻膜10和導(dǎo)線334兩者間電流通路的開通/關(guān)斷。
此外，寫入線323設(shè)置于磁阻膜10的下方，在導(dǎo)線322延伸方向的基本正交方向上延伸。該寫入線322、323可以由例如鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鉭(Ta)或者包含上述元素其中之一的合金形成。
具有如上所述結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元中，要將位信息寫入磁阻膜10，則將寫入脈沖電流送至導(dǎo)線322、323，從而施加由這些電流所感應(yīng)的合成磁場，由此使磁阻元件的記錄層的磁化相應(yīng)反轉(zhuǎn)。
要讀出位信息，則使檢測電流通過導(dǎo)線322、包括磁記錄層的磁阻膜10以及下電極324，于是可測定磁阻膜10的阻值或阻值變化。
本實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器采用任意前文所述實(shí)施例的磁阻元件，即便是單元尺寸減小，也能夠通過可靠控制記錄層的磁疇來確保正確讀寫。
(其他實(shí)施例) 本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例，可以對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展和修改。經(jīng)過擴(kuò)展和修改的實(shí)施例同樣為本發(fā)明技術(shù)范圍所包括。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)磁阻膜的特定結(jié)構(gòu)以及各電極、偏置施加膜、絕緣膜等的特定形狀和材料，通過在公知范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)選擇，同樣實(shí)施本發(fā)明從而產(chǎn)生同樣的效果。舉例來說，將磁阻元件應(yīng)用于再生磁頭時(shí)，磁頭的檢測分辨率可通過提供該元件上下兩側(cè)的磁屏蔽來確定。
此外，本發(fā)明實(shí)施例不僅適用于縱向磁記錄類型的磁頭或磁再生設(shè)備，還適用于垂直的磁記錄類型的磁頭或磁再生設(shè)備。
而且，本發(fā)明的磁再生設(shè)備可以是始終設(shè)置有特定的記錄介質(zhì)的所謂“固定”類型的磁再生設(shè)備，也可以是其中記錄介質(zhì)可變的所謂“可移除”類型的磁再生設(shè)備。
除此之外，本發(fā)明的范圍同樣包括本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過適當(dāng)改變基于如上文所述本發(fā)明實(shí)施例的磁頭以及磁記錄/再生設(shè)備的設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的全部磁阻元件、磁頭、磁記錄/再生設(shè)備、以及磁存儲(chǔ)器。
權(quán)利要求
1.一種磁阻元件，其特征在于，包括具有基本上固定的磁化方向的第一磁性層；設(shè)置于所述第一磁性層上、具有氧化物、氮化物、氧氮化物、以及金屬其中至少一種的薄膜層；以及設(shè)置于所述薄膜層上、具有基本上固定的磁化方向的第二磁性層。
2.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述薄膜層包括包含從鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈀(Pd)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、以及鎢(W)中選出的至少一種元素的氧化物、氮化物、或氧氮化物。
3.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述薄膜層包括包含從鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、以及鈀(Pd)中選出的至少一種元素的金屬。
4.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述薄膜層具有的厚度不小于0.5nm，也不大于3nm。
5.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述薄膜層具有隨外部磁場變化的磁化方向。
6.如權(quán)利要求5所述的磁阻元件，其特征在于，當(dāng)沒有施加外部磁場時(shí)，所述第一和第二磁性層的磁化方向均與所述薄膜層的磁化方向基本上正交。
7.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述第一和第二磁性層其中至少一層包含從鐵(Fe)、鈷(Co)、以及鎳(Ni)中選出的至少一種元素作為主要組分。
8.如權(quán)利要求7所述的磁阻元件，其特征在于，所述第一和第二磁性層其中至少一層包含從面心立方的鈷鐵合金(fcc-CoFe合金)、體心立方的鐵鈷合金(bcc-FeCo合金)、面心立方的鎳鐵合金(fcc-NiFe合金)、以及密排六方的鈷合金(hcp-Co合金)中選出的至少一種合金。
9.如權(quán)利要求7所述的磁阻元件，其特征在于，所述第一和第二磁性層其中至少一層包括非晶合金材料。
10.如權(quán)利要求9所述的磁阻元件，其特征在于，非晶合金材料包含從鈷鐵硼(CoFeB)合金、鈷鋯鈮(CoZrNb)合金、鐵鋯氮(FeZrN)合金、以及鐵鋁硅(FeAlSi)合金中選出的一種合金作為主要組分。
11.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，進(jìn)一步包括使所述第一和第二磁性層其中至少一層的磁化固定的反鐵磁層或硬磁層。
12.如權(quán)利要求11所述的磁阻元件，其特征在于，所述反鐵磁層包括錳(Mn)合金。
13.如權(quán)利要求12所述的磁阻元件，其特征在于，錳(Mn)合金包含銥錳(IrMn)和鉑錳(PtMn)合金其中一種作為主要組分。
14.如權(quán)利要求11所述的磁阻元件，其特征在于，所述硬磁層包含從鈷(Co)、鈷鉑(CoPt)、鈷鉻鉑(CoCrPt)、以及鐵鉑(FePt)中選出的至少一種金屬作為主要組分。
15.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，進(jìn)一步包括在與所述第一和第二磁性層的薄膜平面垂直的方向上提供電流的電流提供單元。
16.如權(quán)利要求15所述的磁阻元件，其特征在于，所述電流提供單元具有一對(duì)電極。
17.一種磁頭，其特征在于，包括如權(quán)利要求1所述的磁阻元件。
18.一種磁記錄裝置，其特征在于，包括如權(quán)利要求17所述的磁頭。
19.一種磁存儲(chǔ)器，其特征在于，包括如權(quán)利要求1所述的磁阻元件。
20.一種磁阻元件的制造方法，其特征在于，包括下列步驟形成第一磁性層；在所述第一磁性層上形成金屬層；通過對(duì)所述金屬層進(jìn)行氧化來形成薄膜層；在所述薄膜層上形成第二磁性層；以及使所述第一和第二磁性層的磁化方向固定。
全文摘要
本發(fā)明的磁阻元件包括具有基本上固定的磁化方向的第一磁性層；設(shè)置于該第一磁性層上、具有氧化物、氮化物、氧氮化物、以及金屬其中至少一種的薄膜層；以及設(shè)置于該薄膜層上、具有基本上固定的磁化方向的第二磁性層。
文檔編號(hào)G11C11/16GK101064358SQ200710102978
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者福澤英明, 藤慶彥, 湯淺裕美, 巖崎仁志 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝