專利名稱：磁阻效應(yīng)元件、磁頭、磁記錄再生裝置、以及磁存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使電流相對(duì)于膜面在垂直方向上導(dǎo)通這種結(jié)構(gòu)的磁阻效應(yīng)元件、以及采用它的磁頭、磁記錄再生裝置、和磁存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
由于發(fā)現(xiàn)磁性體的迭層結(jié)構(gòu)體中的巨大磁阻效應(yīng)(Giant MagnetoResistive EffectGMR)，磁器件性能飛躍式地提高。尤其是旋轉(zhuǎn)閥膜(Spin-ValveSV膜)具有可容易應(yīng)用于磁器件的結(jié)構(gòu)，能夠有效發(fā)揮GMR效應(yīng)，因而對(duì)磁頭和MRAM(MAGNETICRANDOM ACCESS MEMORY磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)等磁器件帶來(lái)大的技術(shù)進(jìn)步。
所謂的“旋轉(zhuǎn)閥膜”是指為2個(gè)強(qiáng)磁性層之間夾有非磁性金屬間隔層這種結(jié)構(gòu)的，設(shè)法由反鐵磁性層等來(lái)固定其中之一強(qiáng)磁性層(稱為“固定層”、“磁化固定層”等)的磁化，并隨外部磁場(chǎng)(例如介質(zhì)磁場(chǎng))使其中另一強(qiáng)磁性層(稱為“自由層”、“磁化自由層”等)的磁化旋轉(zhuǎn)這種迭層膜。旋轉(zhuǎn)閥膜可通過(guò)固定層和自由層的磁化方向的相對(duì)角度變化來(lái)獲得巨大的磁阻變化。
現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)閥膜，屬于使讀出電流與膜面平行導(dǎo)通的CIP(Current In Plane平面面內(nèi)電流)-GMR元件。近年來(lái)，由于發(fā)現(xiàn)比CIP-GMR元件大的GMR(巨大磁阻)效應(yīng)，因而使讀出電流在膜面的大致垂直方向上導(dǎo)通的CPP(Current Perpendicular to the Plane平面垂直方向電流)-GMR元件(下面稱為CPP元件)受到關(guān)注。
考慮到將上述磁阻效應(yīng)元件應(yīng)用于磁頭的情況下，存在元件電阻一旦較高便在散粒噪聲和高頻響應(yīng)方面有問(wèn)題發(fā)生。對(duì)于這種要求，CPP元件的元件的電阻取決于元件面積，在使元件細(xì)微化的情況下有電阻變化量增大這種優(yōu)點(diǎn)，在磁器件愈益細(xì)微化的趨勢(shì)下可有利地應(yīng)用。從這種背景出發(fā)，CPP元件以及用它的磁頭可考慮為用以實(shí)現(xiàn)200Gbpsi～1Tbpsi(每平方英寸兆兆位)的記錄密度的有力替代。但采用由非磁性金屬所形成的間隔層的金屬CPP元件，其電阻變化量本身相當(dāng)小，所以難以得到較大的再生輸出信號(hào)。
為了部分解決該問(wèn)題，提出了所采用的間隔層在絕緣層中形成有由貫通其中的非磁性金屬所形成的細(xì)微電流通路(current confined paths窄電流通路)的CPP元件(current-confined-path-CPP元件)。這種current-confined-path-CPP元件(下面稱為CCP-CPP元件)可以給出窄電流效應(yīng)，可以得到比用非磁性金屬間隔層的單純CPP元件大的再生輸出信號(hào)。但考慮到適應(yīng)高記錄密度的磁頭應(yīng)用的情況下，即便是CCP-CPP元件，MR(磁阻)變化率也有可能不足。
因此，作為實(shí)現(xiàn)可以適應(yīng)高記錄密度的巨大MR(磁阻)變化率這種結(jié)構(gòu)，熱切希望新機(jī)制的MR(磁阻)元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件，包括3層或以上的金屬磁性層；所述3層或以上的金屬磁性層間設(shè)置的連接層；以及使電流相對(duì)于所述金屬磁性層和連接層的迭層體在垂直方向上導(dǎo)通的電極，所述3層或以上的金屬磁性層當(dāng)中最底層或最頂層的金屬磁性層的磁化方向被固定，外部磁場(chǎng)為零時(shí)，中間的金屬磁性層的磁化方向扭轉(zhuǎn)，以便最底層的金屬磁性層的磁化方向與最頂層的金屬磁性層的磁化方向基本上正交。


圖1是本發(fā)明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的立體圖。
圖2A、圖2B和圖2C是對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式磁阻效應(yīng)元件所加上的外部磁化為零情況下和所加上的是介質(zhì)磁場(chǎng)情況下金屬磁性層的磁化方向的說(shuō)明圖。
圖3A、圖3B和圖3C是對(duì)本發(fā)明另一實(shí)施方式磁阻效應(yīng)元件所加上的外部磁化為零情況下和所加上的是介質(zhì)磁場(chǎng)情況下金屬磁性層的磁化方向的說(shuō)明圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施方式磁頭的剖面圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施方式磁頭的剖面圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施方式磁記錄再生裝置的立體圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施方式磁頭組件的立體圖。
圖8示出的是本發(fā)明實(shí)施方式磁存儲(chǔ)器的一例矩陣構(gòu)成。
圖9示出的是本發(fā)明實(shí)施方式磁存儲(chǔ)器的另一例矩陣構(gòu)成。
圖10是示出本發(fā)明實(shí)施方式磁存儲(chǔ)器的主要部分的剖面圖。
圖11是沿圖10中A-A’線的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出本發(fā)明一實(shí)施方式磁阻效應(yīng)元件的立體圖。圖2A、圖2B和圖2C示意性圖示圖1中產(chǎn)生MR(磁阻)變化率的區(qū)域(下面有時(shí)稱為彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜)。
圖1的磁阻效應(yīng)元件具有使下電極11、緩沖層12、反鐵磁性層13、強(qiáng)磁性層14、Ru層15、彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜16(金屬磁性層1a、連接層2a、金屬磁性層1b、連接層2b、金屬磁性層1c)、罩蓋層17、以及上電極18迭層的結(jié)構(gòu)。
該圖中，彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜16具有使金屬磁性層1a、連接層2a、金屬磁性層1b、連接層2b、以及金屬磁性層1c迭層的結(jié)構(gòu)。連接層2a、2b由磁性氧化物或金屬反鐵磁性體所形成。包含于彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜16中的彼此鄰接的2層金屬磁性層，通過(guò)兩層間所夾有的連接層以磁方式具有較弱的結(jié)合。另外，圖1中反鐵磁性層13、強(qiáng)磁性層14以及Ru層15的迭層膜起到鎖定(ピニング)層作用(所謂的合成鎖定層)，使彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜16中最底層的金屬磁性層1a的磁化固定。圖1的磁阻效應(yīng)元件中，電流通過(guò)下電極11和上電極18，相對(duì)于兩電極間的迭層膜的膜面在垂直方向上導(dǎo)通。
參照?qǐng)D2A、圖2B和圖2C說(shuō)明外部磁場(chǎng)(介質(zhì)磁場(chǎng))為零情況下和加上外部磁場(chǎng)(介質(zhì)磁場(chǎng))情況下金屬磁性層1a～1c的磁化方向。
最底層的金屬磁性層1a的磁化方向固定而起到固定層作用，最頂層的金屬磁性層1c的磁化方向隨外部磁場(chǎng)變化而起到自由層作用。另外，對(duì)處于最底層的金屬磁性層1a和最頂層的金屬磁性層1c兩者中間的金屬磁性層1b和連接層2a、2b的功能而言，無(wú)法如通常旋轉(zhuǎn)閥膜那樣單純分類為固定層、間隔層、或自由層的功能。按某一種看法，接近自由層迭層的連接層和金屬磁性層起到自由層的一部分的作用，而接近固定層迭層的連接層和金屬磁性層起到固定層的一部分的作用。按另一種看法，除了起到固定層作用的金屬磁性層1a和起到自由層作用的金屬磁性層1c以外，其磁化方向不論是與固定層還是與自由層均具有微妙的差異，因而也可以稱為具有磁性的間隔層。這樣，本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件難以如同現(xiàn)有定義、明確定義為固定層、間隔層、自由層。因此，本說(shuō)明書(shū)中將即便是加上外部磁場(chǎng)，磁化方向?qū)嶋H上也不變的這一層金屬磁性層稱為固定層(磁化固定層、這里僅為1a)，而將加上外部磁場(chǎng)時(shí)磁化方向變化最大的金屬磁性層稱為自由層(磁化自由層、這里僅為1c)。
如圖2A所示，外部磁場(chǎng)為零時(shí)，最頂層的金屬磁性層1c的磁化方向和最底層的金屬磁性層1a的磁化方向基本上正交，處于最底層的金屬磁性層1a和最頂層的金屬磁性層1c兩者間的中間金屬磁性層1b的磁化方向有少許扭轉(zhuǎn)。這樣，3層或以上的金屬磁性層彼此具有較弱的磁耦合，上述多個(gè)金屬磁性層的磁化方向彈簧狀地各有少許扭轉(zhuǎn)，因而本發(fā)明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)膜命名為彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜。
如圖2B和圖2C所示，加上外部磁場(chǎng)時(shí)，最上層的金屬磁性層1c的磁化方向隨外部磁場(chǎng)的方向而變化，中間金屬磁性層1b的磁化方向也隨之變化。在加上圖2B所示方向(這里示出為+方向)的介質(zhì)磁場(chǎng)，最頂層的金屬磁性層1c的磁化方向和最底層的金屬磁性層1a的磁化方向平行的情況下，讀出電流在膜面垂直方向上導(dǎo)通時(shí)為低電阻(但根據(jù)材料組合的不同，在該磁化排列狀態(tài)時(shí)也有為高電阻的情形)。另一方面，如圖2C所示加上與上述相反的方向(這里示出為-方向)的介質(zhì)磁場(chǎng)的情況下，最頂層的金屬磁性層1c的磁化方向和最底層的金屬磁性層1a的磁化方向反向平行，讀出電流在膜面垂直方向上導(dǎo)通時(shí)為高電阻(但根據(jù)材料組合的不同，在該磁化排列狀態(tài)時(shí)也有為低電阻的情形)。
按照如上所述的原理，本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)其作為旋轉(zhuǎn)閥膜的實(shí)用的動(dòng)作和較大的MR(磁阻)變化率。
下面說(shuō)明本發(fā)明磁阻效應(yīng)元件所用的材料。
(i)下電極由Cu、Au、Cr、Ta、NiFe等所形成。
(ii)基底層(Underlayer)由如下所述材料所形成。
由Ti、Ta、W、Cr、Mo、Nb、V、Zr、Hf構(gòu)成的組中選定的金屬或包含上述金屬在內(nèi)的合金[厚度3nm～10nm]、Ta[厚度3nm～5nm]/Ru[厚度2nm]、NiFeCr[厚度3nm～5nm]、Ta[厚度3nm]/NiFeCr[厚度3nm～5nm]、Ta[厚度3nm]/NiFe[厚度2nm～5nm]。
(iii)鎖定(ピニング)層由如下所述材料所形成。
IrMn、PtMn、PdPtMn等反鐵磁性層、CoPt、CoPrCr、FePt等硬料層、IrMn、PtMn、PdPtMn等反鐵磁性層/強(qiáng)磁性層/Ru、CoPt、CoPrCr、FePt等硬料層/強(qiáng)磁性層/Ru。
舉例來(lái)說(shuō)，PtMn/CoFe[厚度3nm]/Ru這種迭層結(jié)構(gòu)的鎖定(ピニング)層，上下金屬磁性層通過(guò)Ru以反鐵磁性方式磁耦合，因而稱為所謂的合成鎖定層。作為鎖定層來(lái)說(shuō)也可以用由IrMn、PtMn、PdPtMn所形成的單層鎖定層和由硬料層形成的單層鎖定層，但采用合成鎖定層的話，可以使固定層的實(shí)際凈磁矩為零以防止固定層的泄漏磁場(chǎng)的影響。另外，合成鎖定層所含的強(qiáng)磁性層的材料可以用與后面述及的彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜中的金屬磁性層的材料同樣的材料，所以請(qǐng)參照其說(shuō)明。
合成鎖定層所含的Ru以下形成的金屬磁性層的膜厚，希望是Ru以上的彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜所含的金屬磁性層的合計(jì)膜厚的1/2或以下。而且，Ru以下形成的金屬磁性層的膜厚，希望是1nm～10nm，進(jìn)一步希望是1nm～5nm。
(iv)金屬磁性層由如下所述材料所形成?？梢允谴判詫訂螌?，也可以是磁性層和非磁性層的迭層膜。
包含F(xiàn)e、Co、Ni、Co-Fe、Ni-Fe、Ni-Co、Fe-Co-Ni、Co在內(nèi)的合金、包含Ni的合金、包含F(xiàn)e的合金，(FeCo/Cu)×n周期，(CoNi/Cu)×n周期，(NiFe/Cu)×n周期，(FeCoNi/Cu)×n周期。
(FeCo/Cu)×n等迭層膜最好是采用Fe富即Fe濃度為50％或以上的磁性層。這種金屬磁性層，可獲得增大總體散射的效應(yīng)。為了加強(qiáng)上下金屬磁性層的磁耦合，Cu等非磁性層的膜厚不希望太厚，較好是0.1nm～1nm，更為理想的是0.1nm～0.5nm。而且，用CoMnGe、NiMnSb、CoMnAl等霍伊斯勒合金材料也行。
此外，也可以對(duì)以上磁性材料加入添加元素。作為添加元素可例舉Cu、Cr、Ti、V、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Pt等。尤其是對(duì)FeCo添加了Cu的FeCoCu合金由于總體散射效應(yīng)增大因而較為理想。非磁性添加元素的濃度較好是1～50原子％，更為理想的是2～20原子％。而且，也可以采用對(duì)上述金屬磁性材料進(jìn)行過(guò)氮化處理的材料。
每一層金屬磁性層的厚度tm希望為0.5nm～10nm，更為希望的是0.5nm～5nm。多個(gè)金屬磁性層可以用相同材料，也可以用不同材料。但遠(yuǎn)離鎖定層的金屬磁性層需要有相對(duì)于介質(zhì)磁場(chǎng)容易磁化旋轉(zhuǎn)的功能，因而較好是用NiFe、CoFe、NiCo、Fe、NiFeCo、CoFeNi合金，或在它們中加入添加元素來(lái)用軟磁性材料形成。而靠近鎖定層的金屬磁性層的材料則不需要限定為軟磁性材料，較好是采用有利于得到較大MR(磁阻)變化率的磁性材料。
金屬磁性層的層數(shù)為3層或以上的話，便發(fā)揮其作為迭層彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜的作用。金屬磁性層的層數(shù)較好是3層～20層，更為理想的是3層～10層。金屬磁性層的合計(jì)膜厚較好是約3nm～30nm，更為理想的是約5nm～20nm。金屬磁性層的合計(jì)膜厚過(guò)厚的話，MR(磁阻)變化率便變大，但電阻也增加，因而高頻響應(yīng)方面不理想。而金屬磁性層的合計(jì)膜厚較薄的話，從磁頭、MRAM制作工藝方面的觀點(diǎn)來(lái)考慮則較為理想。但金屬磁性層的合計(jì)膜厚太薄的話，就有可能限定于MR(磁阻)變化率給出較大值的材料。
金屬磁性層的晶體結(jié)構(gòu)，希望fcc結(jié)構(gòu)情形具有fcc(111)取向性、bcc結(jié)構(gòu)情形具有bcc(110)取向性、hcp結(jié)構(gòu)情形具有hcp(001)取向性或hcp(110)取向性。
晶體取向性希望取向的隨機(jī)誤差角度在4.0°以內(nèi)，較好是3.5°以內(nèi)，更為理想的是3.0°以內(nèi)。這是例如X射線衍射中可作為按θ-2θ測(cè)定得到的峰值位置的擺動(dòng)曲線的半高寬進(jìn)行測(cè)定的測(cè)定值。對(duì)磁頭來(lái)說(shuō)，可以檢測(cè)為剖面是納米級(jí)衍射坑的分布角度。
(v)連接層發(fā)現(xiàn)有傾向于夾住其的上下2層金屬磁性層的磁化方向來(lái)結(jié)合這種彈簧功能。這種功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)為連接層是完全的非磁性層這種情形。連接層需要是具有磁性的層，尤其較好的是每一原子層自旋磁化排列呈反向平行狀態(tài)這種反鐵材料(反鐵磁性材料)、或具有鐵磁性的材料(尖晶石氧化物等)。
連接層所用的具體材料及其膜厚如下面所示。
(v1)磁性氧化物(v1a)反鐵磁性材料含α-Fe2O3的氧化物[厚度0.5nm～5nm]，含NiO的氧化物[厚度0.5nm～5nm]，含Co3O4的氧化物[厚度0.5nm～5nm]。
(v1b)尖晶石氧化物(具有反鐵磁性自旋排列)含MFe2O4(M＝Fe、Co、Ni、Cu、Mn、Cr、Ti、V、Zn等)的氧化物[厚度0.5nm～5nm]，含γ-Fe3O4的氧化物[厚度0.5nm～5nm]。
(v2)具有反鐵磁性的自旋排列的金屬材料含Mn、Cr、V、Ti中某一種元素至少10原子％或以上的合金[厚度0.5nm～5nm]，含IrMn、PrMn、PdPtMn、CrMn、NiMn、RuRhMn、RuMn中至少一個(gè)的層等[厚度0.5nm～5nm]。
(v3)3d過(guò)渡金屬的氧化物和氮化物以Mn、Cr、Ti、V中至少一個(gè)元素為母材的氧化物、氮化物[厚度0.5nm～5nm]。
為上述某一元素的情況下，也可以對(duì)上述金屬材料中加入Fe、Co、Ni、Cu、Cr、Ti、V、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Si等添加元素。
而且，上述連接層的材料當(dāng)中，為氧化物層或氮化物的情況下，為了避免元件電阻的增加，膜厚不太厚較為理想。具體來(lái)說(shuō)，0.5nm～3nm則是更為理想的膜厚范圍。
上述連接層材料當(dāng)中，一般來(lái)說(shuō)也可包含認(rèn)為不具有磁性的材料，但按本發(fā)明這種結(jié)構(gòu)使用的情況下，在被上下金屬磁性層夾住的狀態(tài)下，并且按較薄的膜厚使用，因而具有磁性。上面例舉的材料，為本發(fā)明這種實(shí)施方式時(shí)發(fā)現(xiàn)磁性的一組材料。
上述材料所形成的連接層的厚度較厚的話，其上下2層的金屬磁性層的磁化方向所呈的相對(duì)角度較大。這里，雖與本發(fā)明在概念上有所不同，但H.Fukuzawa等人在《日本應(yīng)用物理》(J.APPL.PHYS.)91，6684(2002)中披露了有磁性氧化物層介于其中的上下2層的金屬磁性層的磁化方向呈現(xiàn)角度的現(xiàn)象。該篇論文報(bào)道，使氧暴露量增加來(lái)增加磁性氧化物層的膜厚的話，上下2層金屬磁性層的磁化方向所呈的角度從0°變化至30°、60°、90°。
本發(fā)明實(shí)施方式中，用3層或以上的金屬磁性層發(fā)揮其作為旋轉(zhuǎn)閥膜的作用，所以未加上介質(zhì)磁場(chǎng)的狀態(tài)下，如圖2A所示，夾住1層連接層的上下2層金屬磁性層的磁化方向所呈的角度(下面有時(shí)稱為磁化排列角度)在0＜θ＜90°范圍內(nèi)。存在有2個(gè)連接層的情況下，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，每一層連接層的磁化排列角度便為90°/2＝45°，但2個(gè)連接層之間磁化排列角度的數(shù)值不一定相同也行。較佳的磁化排列角度范圍，每一層連接層為30°～60°。為該范圍磁化排列角度的話，便容易發(fā)揮其作為迭層彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜的作用。
連接層可以由如下所述方法來(lái)形成。
由金屬反鐵磁性體形成連接層的情況下，可考慮用濺射法、MBE(Molecular BeamEpitaxy分子束外延生長(zhǎng)法)、CVD(化學(xué)氣相沉積法)、蒸鍍法、PLD(脈沖激光沉積法)等來(lái)成膜。
由磁性氧化物形成連接層的情況下，可以采用在利用濺射法、MBE、CVD、蒸鍍法等使金屬材料成膜后進(jìn)行氧化處理來(lái)使金屬材料形成為氧化物的方法。作為氧化方法來(lái)說(shuō)，可采用自然氧化法、基團(tuán)氧化法、離子束氧化法、RF(射頻)等離子氧化法等。氧化處理時(shí)為了提高氧化活性，也可以進(jìn)行UV(紫外線)照射、基底加熱等。進(jìn)行離子束氧化的情況下，也可以將氧氣導(dǎo)入到離子源中，或?qū)⒀鯕庵苯訉?dǎo)入到氧化室中。離子束的加速能量較好是設(shè)定為50V～100V。而且，也可以用氧化物靶進(jìn)行RF(射頻)濺射、離子束沉積等。
(vi)罩蓋層由如下所述材料所形成。
Cu[厚度0～10nm]/Ta[厚度1nm～5nm]，Cu[厚度0～10nm]/Ru[厚度0～10nm]。
(vii)上電極與下電極同樣，由Cu、Au、Cr、Ta、NiFe等所形成。
將本發(fā)明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件應(yīng)用于磁頭的情況下，將彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜16的寬度W加工為與記錄軌寬度相對(duì)應(yīng)。寬度W可設(shè)定為0.1微米或以下，為了用于高記錄密度可設(shè)定為50nm或以下。彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜16的進(jìn)深h也加工為與寬度W基本上相同的尺寸。另外，為了使自由層的磁化方向偏置為與固定層的磁化方向相正交的方向，也可以在例如彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜16的邊上設(shè)置硬料層，或在彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜16的上面設(shè)置堆疊式偏置層。但本發(fā)明實(shí)施方式中不一定需要設(shè)置偏置層。
現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)閥膜中，固定層和自由層間的磁耦合非常弱，為了使自由層的磁化方向形成為一方向，必定需要使用采用對(duì)接接合的偏置磁場(chǎng)施加膜。但本發(fā)明的彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜，固定層(與磁化固定層最為靠近的金屬磁性層)和自由層(與磁化固定層最為遠(yuǎn)離的金屬磁性層)之間通過(guò)連接層磁耦合，因而自由層的磁化方向由固定層的磁化決定。通過(guò)用適當(dāng)?shù)倪B接層，即便是未設(shè)置偏置磁場(chǎng)施加膜也能夠使固定層和自由層的磁化排列為90度。這樣不需要設(shè)置偏置磁場(chǎng)施加膜的話，作為高密度記錄的再生磁頭，磁頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單這種好處相當(dāng)大。這是因?yàn)?，高記錄密度的再生磁頭中至少為80nm或以下的話，記錄軌寬度便較小，因而制作對(duì)接接合的提起工藝相當(dāng)難。而且，磁頭的再生靈敏度隨偏置磁場(chǎng)施加膜的磁場(chǎng)而降低，磁頭輸出在某種程度上會(huì)有所降低，但能夠利用本發(fā)明去除偏置磁場(chǎng)施加膜的話，便可解決偏置磁場(chǎng)施加膜引起的輸出降低的問(wèn)題，因而可在不發(fā)生巴克豪森噪聲的良好偏置狀態(tài)下得到較大的磁頭輸出。也就是說(shuō)，為適合高密度記錄再生磁頭的結(jié)構(gòu)。
將本發(fā)明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件應(yīng)用于磁存儲(chǔ)器(MRAM)的情況下，可以采用比磁頭情形大的元件尺寸，將彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜16的寬度W和進(jìn)深h加工為1微米或以下為宜。而且，偏置層一般來(lái)說(shuō)并不設(shè)置，可通過(guò)對(duì)彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜16的形狀進(jìn)行研究來(lái)賦予單軸各向異性以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。
用本發(fā)明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件，可以實(shí)現(xiàn)20～1000％這種較大的MR(磁阻)變化率和60～1000mΩμm2這種較低的RA(面積電阻)。
參照?qǐng)D3A、圖3B和圖3C，針對(duì)含有5層金屬磁性層1a～1e和4層連接層2a～2d的迭層彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜，說(shuō)明外部磁化(介質(zhì)磁場(chǎng))為零的情況下和加上外部磁場(chǎng)(介質(zhì)磁場(chǎng))的情況下的金屬磁性層的磁化方向。
圖3A、圖3B和圖3C的迭層彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜，其基本原理均與圖2A、圖2B和圖2C情形完全同樣。但在未加上介質(zhì)磁場(chǎng)的狀態(tài)下利用固定層至自由層的5層金屬磁性層1a～1e使磁化方向旋轉(zhuǎn)90°即可，因而夾住1層連接層的2層金屬磁性層的磁化方向所呈的角度(磁化排列角度)平均來(lái)說(shuō)為90°/4＝22.5°。但每一層連接層的磁化排列角度不需要相同，因而磁化排列角度的理想范圍仍然為30°～60°大小。
而且，對(duì)圖2A、圖2B和圖2C及圖3A、圖3B和圖3C都適用，將具有不同組成的2層金屬磁性層迭層的情況下，該金屬磁性層間的交換結(jié)合極強(qiáng)，因而可以視為一體的金屬磁性層，可考慮為磁化排列角度并沒(méi)有分散這種情況。也就是說(shuō)，圖2A、圖2B和圖2C及圖3A、圖3B和圖3C中各自的金屬磁性層也可以由金屬磁性層的迭層膜所形成。
下面說(shuō)明具有圖1結(jié)構(gòu)的磁阻效應(yīng)元件的具體例。膜構(gòu)成如下文所述。
下電極(11)Cu緩沖層(12)Ta[厚度5nm]/NiFeCr[厚度5nm]鎖定層(13、14、15)PtMn[厚度15nm]/CoFe[厚度3nm]/Ru[厚度1nm]金屬磁性層(1a)CoFe[厚度2nm]連接層(2a)Fe80Co20氧化物[厚度1.5nm]金屬磁性層(1b)CoFe[厚度2nm]連接層(2b)Fe80Co20氧化物[厚度1.5nm]
金屬磁性層(1c)CoFe[厚度1nm]/NiFe[厚度3nm]罩蓋層(17)Cu[厚度1nm]/Ru[厚度5nm]上電極(18)Cu。
該磁阻效應(yīng)元件可以利用下面所述方法來(lái)制造。在基底上使成為下電極11的Cu成膜來(lái)形成圖案。將該基底放置到DC(直流)磁控管濺射裝置中。該裝置具有通過(guò)真空閥與濺射室連接的氧化室。為了形成緩沖層12、鎖定層13、14、15、以及金屬磁性層1a，使Ta/NiFeCr、PtMn/CoFe/Ru、以及CoFe成膜。這里，也可以用IrMn替代PtMn作為反鐵磁性層。IrMn可以用10nm量級(jí)的膜厚(比PtMn的15nm薄)，因而在器件動(dòng)作方面有好處，有利于實(shí)現(xiàn)高記錄密度。
為了形成連接層2a，使Fe80Co20按1nm厚度成膜，在該階段將基底輸送至氧化室，進(jìn)行離子束氧化、RF(射頻)等離子氧化、或基團(tuán)氧化?？衫迷撗趸幚恚ㄟ^(guò)氧化FeCo來(lái)形成具有針狀晶體結(jié)構(gòu)的FeCo氧化物。連接層的厚度tC較好是0.5nm～5nm，更為理想的是1nm～2nm。連接層的厚度為該范圍的話，便可以使每一層連接層的磁化排列角度為30°～60°范圍。
再度將基底輸送至濺射室，為了形成金屬磁性層1b，使CoFe成膜。然后，為了形成連接層2b，使FeCo成膜后，與上述同樣將基底輸送至氧化室氧化。再度將基底輸送至濺射室，為了形成金屬磁性層1c和罩蓋層17，使CoFe/NiFe和Cu/Ru成膜。
在290℃、10kOe量級(jí)的磁場(chǎng)中對(duì)成膜后的基底進(jìn)行4小時(shí)熱處理。此后，利用光刻將彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜的元件寬度微細(xì)加工為與記錄軌寬度基本上相等。具體來(lái)說(shuō)，進(jìn)行圖案形成以使元件其中一邊尺寸為100nm～20nm。這種彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜可得到60～300mΩμm2量級(jí)的面積電阻RA和20％或以上較大的MR(磁阻)變化率。
以上說(shuō)明的是連接層采用FeCo類氧化物的例子，但連接層也可以采用2nm量級(jí)膜厚的金屬反鐵磁性體例如Ir22Mn78等。連接層采用金屬反鐵磁性層的情況下，與采用FeCo類氧化物的情況相比較，有可作為CPP元件避免電阻增加這種好處。對(duì)于高記錄密度來(lái)說(shuō)，為了提高高頻響應(yīng)速度，盡可能降低元件電阻是至關(guān)重要的。具體來(lái)說(shuō)，需要將面積電阻RA抑制為40～300mΩμm2量級(jí)。連接層采用金屬反鐵磁性體的情況下，可以很容易實(shí)現(xiàn)40～200mΩμm2的面積電阻RA，因而從高頻響應(yīng)速度方面考慮較為理想。連接層采用IrMn的情況下，可以得到約60mΩμm2的面積電阻RA和約20％這種較大的MR(磁阻)變化率。
如圖2A-圖2C和圖3A-圖3C所示，本發(fā)明實(shí)施方式的彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜中全部的金屬磁性層為了以磁方式實(shí)現(xiàn)較弱的結(jié)合狀態(tài)，需要連接層的層數(shù)為2層或以上。這是因?yàn)?，連接層僅為1層，則其磁耦合的影響過(guò)大。具體來(lái)說(shuō)，可通過(guò)增加夾住1層連接層的上下2層金屬磁性層與金屬磁性層內(nèi)的磁耦合相比較較弱地磁耦合的連接層或非磁性層的層數(shù)，來(lái)如圖2A-圖2C和圖3A-圖3C所示分階段實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的磁化旋轉(zhuǎn)，可進(jìn)行作為彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜的動(dòng)作。
下面說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的應(yīng)用。
圖4和圖5示出將本發(fā)明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件組裝到磁頭中的狀態(tài)。圖4為相對(duì)于與磁記錄介質(zhì)(未圖示)相對(duì)置的介質(zhì)對(duì)置面在基本上平行的方向上剖切磁阻效應(yīng)元件的剖面圖。圖5為相對(duì)于介質(zhì)對(duì)置面P在垂直方向上剖切該磁阻效應(yīng)元件的剖面圖。
圖4和圖5例示的磁頭具有所謂的硬對(duì)接結(jié)構(gòu)。磁阻效應(yīng)膜10是具有例如圖1所示結(jié)構(gòu)的膜層。磁阻效應(yīng)膜10的上下分別設(shè)置有下電極11和上電極18。圖4中，磁阻效應(yīng)膜10的兩側(cè)面迭層設(shè)置有偏置磁場(chǎng)施加膜21和絕緣膜22。如圖5所示，磁阻效應(yīng)膜10的介質(zhì)對(duì)置面設(shè)置有保護(hù)層23。
針對(duì)磁阻效應(yīng)膜10的讀出電流由其上下配置的電極11、18如箭頭A所示在相對(duì)于膜面基本上垂直的方向上導(dǎo)通。而且，利用左右設(shè)置的一對(duì)偏置磁場(chǎng)施加膜21、21對(duì)磁阻效應(yīng)膜10加上偏置磁場(chǎng)。可以通過(guò)用該偏置磁場(chǎng)控制磁阻效應(yīng)膜10的自由層的磁各向異性形成單磁疇，來(lái)使其磁疇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并抑制隨磁壁移動(dòng)而產(chǎn)生的巴克豪森噪聲(Barkhausen noise)(如前文所述，隨金屬磁性層和連接層材料的不同，也有可對(duì)彈簧式旋轉(zhuǎn)閥膜去除偏置磁場(chǎng)施加膜的情形)。
按照本發(fā)明，磁阻效應(yīng)膜的MR(磁阻)變化率提高，因而應(yīng)用于磁頭的情況下可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的磁再生。
圖4和圖5所示的磁頭可組裝到記錄再生一體式磁頭組件中，裝載于磁記錄再生裝置上。
圖6是例示這種磁記錄再生裝置概略構(gòu)成的主要部分的立體圖。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的磁記錄再生裝置150為采用旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器這種形式的裝置。該圖中，磁盤(pán)200加裝于主軸152上，利用響應(yīng)未圖示的驅(qū)動(dòng)裝置控制部輸出的控制信號(hào)的未圖示的電動(dòng)機(jī)在箭頭A方向上旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的磁記錄再生裝置150也可以形成為具備多個(gè)磁盤(pán)200的結(jié)構(gòu)。
對(duì)磁盤(pán)200所存儲(chǔ)的信息進(jìn)行記錄再生的滑動(dòng)頭153，裝配于懸浮件154的前端。滑動(dòng)頭153將包含上述任意一種實(shí)施方式磁阻效應(yīng)元件的磁頭裝載于其前端附近。
磁盤(pán)200一旦旋轉(zhuǎn)，滑動(dòng)頭153的介質(zhì)對(duì)置面(ABS)便相對(duì)于磁盤(pán)200表面保持有規(guī)定的上浮量?；蛘咭部梢允腔瑒?dòng)頭與磁盤(pán)200相接觸的所謂“接觸行進(jìn)型”。
懸浮件154與具有繞線部等的致動(dòng)臂155的一端連接，該繞線部保持有未圖示的驅(qū)動(dòng)線圈。致動(dòng)臂155的另一端設(shè)置有線性電動(dòng)機(jī)其中一種的音頻線圈電動(dòng)機(jī)156。音頻線圈電動(dòng)機(jī)156由致動(dòng)臂155的繞線部所卷繞的未圖示的驅(qū)動(dòng)線圈和相向配置為夾住該線圈的永磁鐵和對(duì)置磁軛所形成的磁路構(gòu)成。
致動(dòng)臂155由主軸157的上下2處設(shè)置的未圖示的滾珠軸承保持，以便可由音頻線圈電動(dòng)機(jī)156實(shí)現(xiàn)自如的旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)。
圖7為從磁盤(pán)一側(cè)觀察致動(dòng)臂155前端的磁頭組件的放大立體圖。具體來(lái)說(shuō)，磁頭組件160具有例如保持驅(qū)動(dòng)線圈的繞線部等的致動(dòng)臂155，致動(dòng)臂155其中一端連接有懸浮件154。
懸浮件154的前端裝配有滑動(dòng)頭153，該滑動(dòng)頭153所具有的磁頭包含上述任意一種實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件。懸浮件154具有信號(hào)寫(xiě)入和信號(hào)讀取用導(dǎo)線164，該導(dǎo)線164與組裝到滑動(dòng)頭153中的磁頭的各電極電連接。圖中165為磁頭組件160中的電極盤(pán)。
按照本發(fā)明，通過(guò)具有含有上述本發(fā)明實(shí)施方式磁阻效應(yīng)元件的磁頭，能夠可靠地讀取以比現(xiàn)有情形高的記錄密度以磁方式記錄于磁盤(pán)200的信息。
下面說(shuō)明裝載了本發(fā)明實(shí)施方式磁阻效應(yīng)元件的磁存儲(chǔ)器。具體來(lái)說(shuō)，可以用本發(fā)明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件，來(lái)實(shí)現(xiàn)例如存儲(chǔ)單元按矩陣形狀配置的隨機(jī)存取的磁存儲(chǔ)器MRAM(magnetic random access memory磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)等磁存儲(chǔ)器。
圖8示出的為本發(fā)明實(shí)施方式磁存儲(chǔ)器的一例矩陣構(gòu)成。該圖示出存儲(chǔ)單元按陣列形狀配置情形的電路構(gòu)成。為了對(duì)陣列中的1位進(jìn)行選擇，可通過(guò)預(yù)先具有列譯碼器350、行譯碼器351，利用位線334和字線332使開(kāi)關(guān)晶體管330導(dǎo)通來(lái)進(jìn)行唯一的選擇，并由讀出放大器352進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)讀出磁阻效應(yīng)元件10中磁記錄層(自由層)所記錄的位信息。寫(xiě)入位信息時(shí)，加上通過(guò)使寫(xiě)入電流流過(guò)特定的寫(xiě)入字線323和位線322所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
圖9示出的為本發(fā)明實(shí)施方式磁存儲(chǔ)器的另一例矩陣構(gòu)成。這種情況下，按矩陣形狀布線的位線322和字線334分別由譯碼器360、361選擇，選擇陣列中的特定存儲(chǔ)單元。各個(gè)存儲(chǔ)單元具有使磁阻效應(yīng)元件10和二極管D串聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)。這里，二極管D具有防止讀出電流在所選定的磁阻效應(yīng)元件10以外的存儲(chǔ)單元中迂回這種作用。寫(xiě)入是利用通過(guò)分別使寫(xiě)入電流流過(guò)特定的位線322和寫(xiě)入字線323所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行的。
圖10為示出本發(fā)明實(shí)施方式磁存儲(chǔ)器的主要部分的剖面圖。圖11為沿圖10中A-A’線的剖面圖。上述圖示的結(jié)構(gòu)與圖8或圖9中所示的磁存儲(chǔ)器中所含的1位的存儲(chǔ)單元相對(duì)應(yīng)。該存儲(chǔ)單元具有存儲(chǔ)元件部分311和地址選擇用晶體管部分312。
存儲(chǔ)元件部分311具有磁阻效應(yīng)元件10和與之連接的一對(duì)布線322、324。磁阻效應(yīng)元件10為上述實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件。
另一方面，選擇用晶體管部分312設(shè)置有通過(guò)通路326和嵌埋布線328連接的晶體管330。該晶體管330根據(jù)加在控制極332上的電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，控制磁阻效應(yīng)元件10和布線334的電流路徑的開(kāi)閉。
而且，磁阻效應(yīng)元件10的下方在與布線322基本上正交的方向上設(shè)置有寫(xiě)入布線323。上述寫(xiě)入布線322、323可以利用例如鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鉭(Ta)、或含上述任意一種材料的合金來(lái)形成。
這種構(gòu)成的存儲(chǔ)單元中，將位信息寫(xiě)入磁阻效應(yīng)元件10時(shí)，通過(guò)使寫(xiě)入脈沖電流流過(guò)布線322、323，加上用上述電流感應(yīng)產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)，來(lái)使磁阻效應(yīng)元件的記錄層磁化適當(dāng)反轉(zhuǎn)。
而且，讀出位信息時(shí)，通過(guò)對(duì)布線322、含有磁記錄層的磁阻效應(yīng)元件10、以及下電極324流過(guò)讀出電流，并測(cè)定磁阻效應(yīng)元件10的電阻值或電阻值的變化。
本發(fā)明實(shí)施方式的磁存儲(chǔ)器，采用上述實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件，即便是對(duì)單元尺寸進(jìn)行微細(xì)化，也能夠可靠控制記錄層的磁疇來(lái)確?？煽康膶?xiě)入，而且讀出也能夠可靠進(jìn)行。
以上參照具體例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明。但本發(fā)明不限于上述具體例。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于磁阻效應(yīng)膜的具體結(jié)構(gòu)、此外對(duì)于電極、偏置施加膜、絕緣膜等的形狀、材質(zhì)而言，可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員從公知范圍當(dāng)中進(jìn)行適當(dāng)選擇，與本發(fā)明同樣地實(shí)施，并得到同樣的效果。
舉例來(lái)說(shuō)，將磁阻效應(yīng)元件應(yīng)用于再生用磁頭時(shí)，可通過(guò)對(duì)元件的上下賦予磁屏蔽，來(lái)規(guī)定磁頭的檢測(cè)分辨率。
而且，本發(fā)明不僅適用于縱向磁記錄方式的磁頭或磁記錄再生裝置，而且同樣適用于垂直磁記錄方式的磁頭或磁記錄再生裝置，可得到同樣效果。
此外，本發(fā)明的磁記錄再生裝置可以是始終具有特定記錄介質(zhì)的所謂固定式磁記錄再生裝置，另一方面也可以是可調(diào)換記錄介質(zhì)的所謂“可拆”方式的磁記錄再生裝置。
另外，作為本發(fā)明的實(shí)施方式，以上述磁頭和磁記錄再生裝置為基礎(chǔ)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可作適當(dāng)設(shè)計(jì)修改來(lái)實(shí)施的全部磁阻效應(yīng)元件、磁頭、磁記錄再生裝置、以及磁存儲(chǔ)器，都同樣屬于本發(fā)明范圍。
另外的優(yōu)點(diǎn)和修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。所以，本發(fā)明的更寬方面不限于這里圖示說(shuō)明的具體細(xì)節(jié)和示范性實(shí)施例。因而，可以在不背離總體發(fā)明構(gòu)思的實(shí)質(zhì)或保護(hù)范圍的情況下如所附權(quán)利要求及其等效保護(hù)范圍所定義的那樣對(duì)本發(fā)明進(jìn)行種種修改。
權(quán)利要求
1.一種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，包括3層或以上的金屬磁性層；所述金屬磁性層間設(shè)置的連接層；以及使電流相對(duì)于所述金屬磁性層和連接層的迭層體在垂直方向上導(dǎo)通的電極，所述金屬磁性層當(dāng)中最底層或最頂層的金屬磁性層的磁化方向被固定，外部磁場(chǎng)為零時(shí)，中間的金屬磁性層的磁化方向扭轉(zhuǎn)，以便最底層的金屬磁性層的磁化方向與最頂層的金屬磁性層的磁化方向基本上正交。
2.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述金屬磁性層當(dāng)中，夾住1層連接層的2層金屬磁性層的磁化方向成30°～60°角度。
3.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述連接層由厚度為0.5nm或以上但5.0nm或以下的、包含由Co、Fe、Ni、Mn、Ti、V、以及Cr構(gòu)成的組中選定的至少一種元素的氧化物或氮化物所形成。
4.如權(quán)利要求3所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述連接層由α-Fe2O3、或者具有針狀晶體結(jié)構(gòu)或反向針狀晶體結(jié)構(gòu)的γ-Fe2O3、或者XFe2O4所形成，其中X為Fe、Co、Ni、Mn、Cr、Ti、V。
5.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述連接層由厚度為0.5nm或以上但5nm或以下的金屬反鐵磁性體所形成。
6.如權(quán)利要求5所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述連接層由Mn和XMn構(gòu)成的組中選定的金屬反鐵磁性體所形成，其中X為Ni、Ir、Pt、Pd、Cr、Ru、或Rh。
7.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述連接層由包含Ti、Cr、V中至少一種元素的金屬層所形成。
8.如權(quán)利要求7所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述連接層由厚度為0.5nm或以上但5nm或以下的金屬層所形成。
9.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述金屬磁性層由厚度為0.5nm或以上但5nm或以下的、包含由Co、Fe、以及Ni構(gòu)成的組中選定的至少一種元素的材料所形成。
10.一種磁頭，其特征在于，具有權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件。
11.一種磁記錄再生裝置，其特征在于，包括磁記錄介質(zhì)；以及權(quán)利要求10所述的磁頭。
12.一種磁存儲(chǔ)器，其特征在于，具有權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件。
全文摘要
本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件，包括3層或以上的金屬磁性層；所述3層或以上的金屬磁性層間設(shè)置的連接層；以及使電流相對(duì)于所述金屬磁性層和連接層的迭層體在垂直方向上導(dǎo)通的電極，所述3層或以上的金屬磁性層當(dāng)中最底層或最頂層的金屬磁性層的磁化方向被固定，外部磁場(chǎng)為零時(shí)，中間的金屬磁性層的磁化方向扭轉(zhuǎn)，以便最底層的金屬磁性層的磁化方向與最頂層的金屬磁性層的磁化方向基本上正交。
文檔編號(hào)G11B5/39GK1870140SQ20061009240
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月26日
發(fā)明者福澤英明, 湯淺裕美, 巖崎仁志 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝