專利名稱：磁阻效應(yīng)元件,磁頭和磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻效應(yīng)元件，磁頭和磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備，其中所述磁阻效應(yīng)元件檢測在使傳感電流(sense current)沿垂直于磁阻效應(yīng)膜的膜面的方向流過時的磁性。
背景技術(shù)：
近年來，硬盤驅(qū)動器(HDD)已經(jīng)快速地朝向減小尺寸和高密度的方向前進，但人們?nèi)匀黄谕拿芏冉窈蟾?。HDD的高密度化可以通過縮小記錄磁道寬度以增加磁道密度來實現(xiàn)。可是，如果磁道寬度變窄，則記錄磁化強度，即，記錄信號變小，因而必須提高再現(xiàn)介質(zhì)信號用的MR磁頭(磁阻磁頭)的再現(xiàn)靈敏度。
最近，已經(jīng)采用了利用巨磁阻(GMR)效應(yīng)的包含高靈敏度自旋閥膜(spin-valve film)的GMR磁頭(巨磁阻磁頭)。自旋閥膜(也稱“自旋相關(guān)散射單元(spin-dependent scattering unit)”)是具有夾層結(jié)構(gòu)的多層膜，其中在兩個鐵磁層之間夾著一個非磁性隔離層。在兩個鐵磁層中，一個鐵磁層(稱“被釘扎層(pinned layer)”或“固定磁化層(fixed magnetization layer)”)的磁化方向由反鐵磁層(anferromagnetic layer)或類似層固定，另一個鐵磁層的磁化方向可根據(jù)外部磁場發(fā)生變化。在自旋閥膜中，通過改變兩個鐵磁層的磁化方向之間的相對角獲得巨磁阻效應(yīng)。
常規(guī)的自旋閥膜型GMR磁頭具有使傳感電流平行于膜面流過的CIP(面內(nèi)電流，current in plane)結(jié)構(gòu)(CIP-GMR元件)。另一方面，使傳感電流垂直于膜面流過的CPP(電流垂直于平面)結(jié)構(gòu)GMR元件的(CPP_GMR元件)也引起了注意，因為CPP-GMR元件的GMR效應(yīng)比CIP-GMR元件的更大。
可是，在最可能作為裝置實現(xiàn)的自旋閥膜結(jié)構(gòu)的情況下，被釘扎層/非磁性中間層/自由層(自旋相關(guān)散射單元)是自旋相關(guān)的層，它們的總膜厚非常薄，隨著界面數(shù)量的減小，因此在CPP-GMR元件中，當(dāng)電流垂直流過時的元件電阻非常小。結(jié)果，所得到的電阻變化量，即，輸出很小，盡管磁阻效應(yīng)本身很大。為了將自旋閥膜結(jié)構(gòu)的CPP-GMR元件投入實用，重要的是增加自旋相關(guān)散射單元的電阻值和使電阻變化量巨大。此外，重要的是使用具有巨大自旋相關(guān)散射效應(yīng)的材料作為被釘扎層和自由層的磁性材料。
確定的是，在其中全部被釘扎層/非磁性中間層/自由層(自旋相關(guān)散射單元)都是由金屬組成的金屬CPP-GMR元件中，自旋相關(guān)界面散射效應(yīng)通過把自由層或被釘扎層的磁性材料從常規(guī)的fcc結(jié)構(gòu)的Co10Fe10改變成bcc結(jié)構(gòu)的Fe50Co50而增大，而自旋相關(guān)體散射效應(yīng)通過把另外的薄Cu插入到磁性層中而增大。(參見例如J.Appl.Phys.，92，2646(2002)，J.Appl.Phys.，93，7915(2003))?？墒牵娮枳兓縟RA和MR變化率之值相對所要求的性能在200Gbpsi或更大來說仍然不夠。
同時，為了增加CPP-GMR元件的自旋相關(guān)散射單元的電阻值，提出一種CPP-GMR元件，其中包含沿垂直于膜面的方向的電流通道(CCP電流限制通道，current-confined-path)的氧化層(NOLNano Oxide Layer，毫微氧化層)用作非磁性中間層(參見例如JP-A 2002-208744(KOKAI))。以下稱這種元件叫CCP-CPP元件。在CCP-CPP元件中，自旋相關(guān)散射單元的電阻值增大，電阻變化量也增大，借助于使電流僅僅流入電流通道部分而其它部分沒有電流流入的電流限制通道效應(yīng)。
在CCP-GMR元件中，當(dāng)電流垂直流過時，CCP-NOL部分的總電阻比率很高，因而，CCP-GMR元件的面積(area)電阻RA和電阻變化量RA基本上限定在CCP-NOL隔離層的附近。因此，自旋相關(guān)散射的界面散射效應(yīng)具有的影響比體散射效應(yīng)的更大。即，在CCP-CPP元件中，使用具有很大自旋相關(guān)界面散射效應(yīng)的材料作為自由層或被釘扎層的磁性層材料能有效地實現(xiàn)高MR變化率。
通過使用已經(jīng)證實在金屬CCP-CPP元件中具有很大自旋相關(guān)界面散射效應(yīng)的bcc結(jié)構(gòu)的Fe50Co50’作為CCP-CPP元件的自由層或被釘扎層的磁性層，證實具有高電阻變化量和MR變化率(參見Appl.Phys.Lett.，87，082507(2005))。
JP-A 2005-259976(KOKAI)中公開了一種技術(shù)，即通過在自由層上設(shè)置由在最鄰近的原子之間具有很大距離的元件組成的蓋層(cap layer)來抑制和修復(fù)晶狀的惡化。在上述JP-A 2002-208744(KOKAI)中，還公開了一種技術(shù)，即在被釘扎層、自由層和非磁性中間層中的至少任意一層中設(shè)置有電阻控制層。

發(fā)明內(nèi)容
這里，希望提高磁阻效應(yīng)元件的可靠性。例如，在使傳感電流流入磁阻效應(yīng)元件時引起的MR變化率隨時間的變化希望是很小的。
考慮到上述說明，本發(fā)明的目的是提供一種磁阻效應(yīng)元件，其意在降低在使傳感電流流過時引起的MR的變化率隨時間的變化，以及該磁阻效應(yīng)元件的制備方法。
根據(jù)第一方式的磁阻效應(yīng)元件包括固定磁化層，其磁化方向?qū)嶋H上固定在一個方向上；自由磁化層，其磁化方向根據(jù)外部磁場發(fā)生變化；非磁性隔離層，其設(shè)置在固定磁化層和自由磁化層之間，并包括第一絕緣層，和貫穿第一絕緣層的第一電流通道；和插入層，其設(shè)置在自由磁化層的與非磁性隔離層相反的一側(cè)上，其中，第一絕緣層具有包含選自由Al(鋁)、Si(硅)、Mg(鎂)、Ta(鉭)和Zn(鋅)構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物、氧氮化物作為主要成分，以及，插入層具有包含選自由Al(鋁)、Si(硅)、Mg(鎂)、Ta(鉭)和Zn(鋅)構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物、氧氮化物作為主要成分。
根據(jù)第二方式的磁阻效應(yīng)元件包括固定磁化層，其磁化方向?qū)嶋H上固定在一個方向上；自由磁化層，其磁化方向根據(jù)外部磁場發(fā)生變化；非磁性隔離層，其設(shè)置在固定磁化層和自由磁化層之間，并包括第一絕緣層，和貫穿第一絕緣層的第一電流通道；和插入層，其設(shè)置在自由磁化層背向非磁性隔離層的一側(cè)上，其中，第一絕緣層具有包含Ti(鈦)的氧化物、氮化物、氧氮化物作為主要成分，以及，插入層具有包含Ti(鈦)的氧化物、氮化物、氧氮化物作為主要成分。
根據(jù)第三方式的磁阻效應(yīng)元件包括固定磁化層，其磁化方向?qū)嶋H上固定在一個方向上；自由磁化層，其磁化方向根據(jù)外部磁場發(fā)生變化；非磁性絕緣隔離層，其設(shè)置在固定磁化層和自由磁化層之間；電流限制層(current confining layer)，其插入到自由磁化層中，并包括第一絕緣層，和貫穿第一絕緣層的第一電流通道；和插入層，其設(shè)置在自由磁化層背向非磁性絕緣隔離層的一側(cè)上，其中，第一絕緣層具有包含選自由Al(鋁)、Si(硅)、Mg(鎂)、Ta(鉭)和Zn(鋅)構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物、氧氮化物作為主要成分，以及，插入層具有包含選自由Al(鋁)、Si(硅)、Mg(鎂)、Ta(鉭)和Zn(鋅)構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物、氧氮化物作為主要成分。
根據(jù)第四方式的磁阻效應(yīng)元件包括固定磁化層，其磁化方向?qū)嶋H上固定在一個方向上；自由磁化層，其磁化方向根據(jù)外部磁場發(fā)生變化；非磁性絕緣隔離層，其設(shè)置在固定磁化層和自由磁化層之間；電流限制層，其插入到自由磁化層中，并包括第一絕緣層，和貫穿第一絕緣層的第一電流通道；和插入層，其設(shè)置在自由磁化層背向非磁性絕緣隔離層的一側(cè)上，其中，第一絕緣層具有包含Ti(鈦)的氧化物、氮化物、氧氮化物作為主要成分，以及，插入層具有包含Ti(鈦)的氧化物、氮化物、氧氮化物作為主要成分。


圖1是表示根據(jù)第一實施方式的磁阻效應(yīng)元件的截面的剖視圖；圖2是表示不設(shè)有薄膜插入層的CCP-CPP自旋閥膜的內(nèi)部應(yīng)力的理論曲線圖；圖3是表示其中插入了薄膜插入層的CCP-CPP自旋閥膜的內(nèi)部應(yīng)力的理論曲線圖；圖4是表示在第一實施方式中的設(shè)置有金屬層22的磁阻效應(yīng)元件的截面的剖視圖；圖5是表示在第一實施方式中的頂端型(top type)磁阻效應(yīng)元件的截面的剖視圖；圖6是表示在第一實施方式中的設(shè)置有金屬層22的頂端型磁阻效應(yīng)元件的截面的剖視圖；圖7是表示根據(jù)第二實施方式的磁阻效應(yīng)元件的截面的剖視圖；圖8是表示薄膜插入層的制備工序的一個實例的流程圖；圖9是表示根據(jù)所述實施方式的磁阻效應(yīng)元件被并入到磁頭中的狀態(tài)時的示圖；圖10是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁阻效應(yīng)元件被并入到磁頭中的狀態(tài)時的示圖；圖11是表示作為實例的磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備的簡單構(gòu)成的主要部分透視圖；圖12是從磁盤一側(cè)觀看時，在致動器臂的末端的磁頭萬向接頭組件(gimbal assembly)的放大透視圖；圖13是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器的矩陣形構(gòu)成的一個實例的示圖；圖14是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器的矩陣形構(gòu)成的另一個實例的示圖；圖15是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器的主要部分剖視圖；圖16是表示沿圖15中的A-A’線的剖視圖；
圖17是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式的在自由層中具有電流限制層的隧道磁阻效應(yīng)元件的截面的剖視圖；圖18是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式的隧道磁阻效應(yīng)元件的截面的剖視圖。
具體實施例方式
(第一實施方式)下面，結(jié)合附圖描述本發(fā)明的實施方式。
圖1是表示根據(jù)第一實施方式的磁阻效應(yīng)元件(CCP-CPP元件)的截面的剖視圖。圖1所示的磁阻效應(yīng)元件具有下電極(lower electrode)11，基礎(chǔ)層(foundation layer)12，釘扎層(pinning layer)13，被釘扎層(pinnedlayer)14，金屬層15，隔離層(CPP-NOL)16，金屬層17，自由層18，薄膜插入層19，蓋層20和上電極21，它們形成在基底上。其中，被釘扎層14，隔離層16和自由層18對應(yīng)于通過將非磁性隔離層16夾在兩個鐵磁層之間而形成的自旋閥膜(自旋相關(guān)散射單元，spin-dependent scattering unit)。隔離層16包括絕緣層161和貫穿絕緣層161的電流通道162。
在該實施方式中，薄膜插入層19設(shè)置在自由層18和蓋層20之間，所以即使在實施長時間的電流激勵(current energization)時，也不會發(fā)生磁阻效應(yīng)元件的MR變化率降低。
下面將說明磁阻效應(yīng)元件的構(gòu)成。
下電極11是用于使電流沿垂直于自旋閥膜的方向流過的電極。在下電極11和上電極21之間施加電壓，因此，電流沿垂直于自旋閥膜的方向流過該膜的內(nèi)部。通過檢測因電流引起的磁阻效應(yīng)產(chǎn)生的電阻的變化，可以檢測磁場。
基礎(chǔ)層12可以分成例如緩沖層12a和籽晶層12b。緩沖層12a用于減小下電極11的表面粗糙度。籽晶層12b用于控制在其上淀積的自旋閥膜的晶體取向和晶粒尺寸。
釘扎層13具有施加單方向各向異性給淀積在其上的作為被釘扎層14的鐵磁層以固定磁化的作用。關(guān)于釘扎層13的材料，可以使用反鐵磁材料。
被釘扎層14可以形成由下被釘扎層141、磁偶合中間層142和上被釘扎層143組成的合成被釘扎層。釘扎層13和直接位于其上的下被釘扎層141交換磁偶合(exchange-magnetim coupled)以具有單方向各向異性。在磁偶合中間層142之下和之上的下被釘扎層141和上被釘扎層143彼此極強地磁偶合以致于彼此的磁化方向變成反平行。
磁偶合中間層142具有使在其之上和之下的磁性層(下被釘扎層141和上被釘扎層143)反鐵磁偶合以形成合成釘扎(pin)結(jié)構(gòu)的作用。
上被釘扎層143是形成自旋相關(guān)散射單元的一部分的磁性層，直接對MR效應(yīng)起作用。
金屬層15用于形成電流通道162，是電流通道162的所謂供應(yīng)源。但是在電流通道162形成之后，金屬層15就不必再保留作為明確的(definite)金屬層。
隔離層(CCP-NOL)16具有絕緣層161和電流通道162。隔離層16、金屬層15和金屬層17可全部視為隔離層16。
絕緣層161由氧化物、氮化物、氧氮化物等組成。作為絕緣層161，可以采用諸如Al2O3的非晶結(jié)構(gòu)和諸如MgO的晶體結(jié)構(gòu)。
電流通道162用于限定電流，起到使電流在絕緣層161的層方向流過的導(dǎo)體的作用，可以由例如非磁性金屬比如Cu等構(gòu)成。即，隔離層16具有電流限定通道結(jié)構(gòu)(CCP結(jié)構(gòu))，能夠借助于電流限定通道效應(yīng)增加元件電阻和MR變化率。
上金屬層17起障礙層(barrier layer)的作用，保護沉積在其上的自由層18防止其在與隔離層16的氧化物接觸時被氧化，和具有使自由層18的結(jié)晶化更有利的作用。
根據(jù)隔離層16的材料和自由層18的材料，可以不一定設(shè)置上金屬層17。通過優(yōu)化退火條件，選擇隔離層16的絕緣層161的材料、自由層18的材料等，可以避免結(jié)晶性(crystallinity)惡化，以及可以不必在隔離層16上形成金屬層17。
可是，考慮到制造上的誤差，優(yōu)選在隔離層16上形成金屬層17。
自由層18具有磁化方向隨外部磁場發(fā)生變化的鐵磁物質(zhì)。
帽層20具有保護自旋閥膜的作用。
上電極21用于使電流沿垂直于自旋閥膜的方向內(nèi)流過。在下電極11和上電極21之間施加電壓，由此使沿垂直于自旋閥膜的方向的電流流入到自旋閥膜的內(nèi)部。
(薄膜插入層19)下面詳細描述薄膜插入層19。薄膜插入層19是用以控制在自旋閥膜內(nèi)部的應(yīng)力，和防止自旋閥膜因內(nèi)部應(yīng)力而惡化。
A.磁阻效應(yīng)元件因應(yīng)力而惡化下面將說明自旋閥膜因應(yīng)力而變壞的機理。
在CCP-CPP自旋閥膜中，隔離層16插入到具有多個薄金屬膜的層疊薄膜中。隔離層16包括由例如氧化物組成的絕緣層161。氧化物或類似物的絕緣體一般具有的應(yīng)力比金屬的更大。因而，在CCP-CPP自旋閥膜中，相鄰于隔離層16的金屬層17接收來自隔離層16的比其自身的內(nèi)部應(yīng)力更大的應(yīng)力。即，在相鄰于隔離層16的金屬層17的附近區(qū)域由于具有很大的應(yīng)力分布而處于不穩(wěn)定狀態(tài)。
通過對磁阻效應(yīng)元件(CCP-CPP元件)電流激勵，發(fā)生根據(jù)焦耳定律的熱生成。這時，熱量的溫度增加值與所施加的電壓和電流的乘積成正比。在CCP-CPP元件中，隔離層16的電阻與總電阻的比值很大，因而，施加的電壓基本上被添加到隔離層16上。電流被限定在隔離層16中，因而，在電流通道162中的局部電流密度變得非常高。即，在CCP-CPP自旋閥膜中的電流通道162處于高壓和高電流密度中，可以期望焦耳熱在局部發(fā)生。
當(dāng)由于電流激勵而在隔離層16的附近發(fā)生熱生成時，在其鄰近的原子的運動增強，發(fā)生與內(nèi)部應(yīng)力一致的原子遷移。這里，在相鄰于隔離層16的金屬層17中，應(yīng)力分布很大，因而，原子的遷移長度出現(xiàn)一個分布。結(jié)果，在隔離層16和相鄰的金屬層17的界面出現(xiàn)了發(fā)生晶格失配、原子混合和粗糙度增加的可能性。這些現(xiàn)象導(dǎo)致自旋相關(guān)界面散射效應(yīng)降低。
如上所述，在CCP-CPP元件中，在隔離層16附近的電阻與總電阻的比值很大。因而，在隔離層16附近的自旋相關(guān)界面散射對MR變化率所起的作用很大。即，有可能在隔離層16附近的界面結(jié)構(gòu)的惡化直接關(guān)聯(lián)到MR變化率的惡化。
B.通過薄膜插入層19的應(yīng)力控制為了說明薄膜插入層19的效果，先示出CCP-CPP自旋閥膜在有和無薄膜插入層19時的內(nèi)部應(yīng)力的差別。
(1)無薄膜插入層19的情況圖2是表示無薄膜插入層19時的CCP-CPP自旋閥膜的內(nèi)部應(yīng)力理論曲線圖。圖2中(a)表示隔離層16到蓋層20的剖面。圖2中(b)表示在隔離層16到蓋層20的各個層中的材料的特定內(nèi)部應(yīng)力(實線)和每個層接收到的來自相鄰層的應(yīng)力(虛線)。圖2中(c)表示在隔離層16到蓋層20的每個層中的實際內(nèi)部應(yīng)力。這里，圖2中(b)和(c)的縱軸對應(yīng)于(a)中的CCP-CPP元件的剖視圖。在圖2中，以具有壓應(yīng)力的隔離層16視為一個實例。
如圖2(b)中的實線所示，隔離層16具有壓應(yīng)力，其上的金屬層(金屬層17，自由層18，蓋層20)具有較弱的張應(yīng)力。如圖2(c)中的虛線所示，隔離層16和其上的金屬層，由于它們自身的材料的特定應(yīng)力的作用或反作用，接收作為外部應(yīng)力的相鄰層各自具有的應(yīng)力。因此，在CCP-CPP自旋閥膜的中的應(yīng)力實際上是圖2(b)中的實線和虛線之和，并在圖2(c)示出。
如圖2的(c)中所示，內(nèi)部應(yīng)力值從隔離層16和金屬層17之間的界面到自由層18發(fā)生突變。如上所述，內(nèi)部應(yīng)力的突變(分布)導(dǎo)致自旋相關(guān)界面散射效應(yīng)降低，比如在由電流激勵時的熱生成引起原子遷移的場合下，晶格失配、原子混合和粗糙度增加。
(2)設(shè)有薄膜插入層19的情況在該實施方式中，薄膜插入層19設(shè)置在自由層18和蓋層20之間，如圖1所示。作為薄膜插入層19，選擇具有的應(yīng)力的極性與CPP-NOL隔離層16的材料的特有內(nèi)部應(yīng)力的極性相同的材料。這里，相同極性是指張應(yīng)力(正極性)或壓應(yīng)力(負極性)的組合。
圖3是表示其中插入了薄膜插入層19的CCP-CPP自旋閥膜的內(nèi)部應(yīng)力理論曲線圖。圖3中(a)是剖視圖、(b)表示每個層的材料的特有應(yīng)力(實線)和每個層接收到的來自相鄰層的應(yīng)力，(c)表示每個層的實際應(yīng)力。
如圖3(b)中的實線所示，金屬層17和自由層18夾在兩者都具有很大壓應(yīng)力的隔離層16和薄膜插入層19之間。因此，根據(jù)各個層接收到的來自相鄰層的外部應(yīng)力(如虛線所示)，有很大的壓應(yīng)力施加給金屬層17和自由層18。結(jié)果，在金屬層17和自由層18中的實際內(nèi)部應(yīng)力變成壓應(yīng)力，從隔離層16和金屬層17之間的界面到自由層18的應(yīng)力變化是漸變的(見圖3(c))。
結(jié)果，即使當(dāng)由于在電流激勵時的熱生成而發(fā)生根據(jù)內(nèi)部應(yīng)力的原子遷移時，原子遷移變成接近所述相鄰層，因為從隔離層16到自由層18的內(nèi)部應(yīng)力的變化是漸變的。因此，可以防止導(dǎo)致自旋相關(guān)界面散射效應(yīng)降低的現(xiàn)象，比如晶格失配、原子混合和粗糙度增加。
在其中插入了薄膜插入層19的CCP-CPP自旋閥膜中，在薄膜插入層19和蓋層20之間的界面中的內(nèi)部應(yīng)力的變化是突變的?？墒?，由于下列原因(1)和(2)，這不再是一個大的問題。即，(1)由于離CCP-NOL隔離層16足夠遠，所以在電流激勵時的溫度上升很小。(2)由于位于自旋相關(guān)散射單元的外部，所以即使結(jié)構(gòu)發(fā)生惡化MR變化率的降低也很難發(fā)生。
下面說明隔離層16和薄膜插入層19的具體材料。本發(fā)明的發(fā)明人制備了由各種類型的氧化物材料形成的單層薄膜，并用基底曲率測量法檢測了各氧化物材料的特定應(yīng)力值。結(jié)果，具有壓應(yīng)力的材料和它們的應(yīng)力值顯示在表1中，具有張應(yīng)力的材料和它們的應(yīng)力值顯示在表2中?；浊蕼y量法是用于通過在基底上形成薄膜，根據(jù)出現(xiàn)到基底上的變形(彎曲)，測量薄膜的內(nèi)部應(yīng)力。
表1

表2

當(dāng)表1中示出的具有壓應(yīng)力的氧化物用作隔離層16的絕緣層161的組成材料(絕緣材料比如氧化物)時，選自表1中的具有與隔離層16相似的壓應(yīng)力的氧化物層用作薄膜插入層19。另一方面，當(dāng)表2中示出的具有張應(yīng)力的氧化物用作隔離層16的絕緣層161的組成材料時，選自表2中的具有與隔離層16相似的張應(yīng)力的氧化物層用作薄膜插入層19。
在這種情況下，氧化物被描述作為絕緣器實例，但可以使用氮化物或氧氮化物作為絕緣器?？梢允褂镁哂信c隔離層16的應(yīng)力相同極性的應(yīng)力的普通絕緣材料作為薄膜插入層19的組成材料。
薄膜插入層19的膜厚的范圍應(yīng)使得能夠達到應(yīng)力控制效果和不發(fā)生由于電阻的增加引起的MR比率的降低。但是因為下述原因，膜厚優(yōu)選為0.5nm～1.5nm。
由薄膜插入層19施加給相鄰層的應(yīng)力的幅度與氧化物材料的內(nèi)部應(yīng)力σADJ和膜厚tABJ的乘積σADJ·tABJ成正比。因此，如果薄膜插入層19的膜厚太薄，則不能展示出應(yīng)力控制作用，并且薄膜插入層19的膜厚越厚，應(yīng)力控制執(zhí)行的越有效。為了展示出應(yīng)力控制作用，薄膜插入層19的膜厚希望為0.5nm或更大。
當(dāng)薄膜插入層19的膜厚太厚時，薄膜插入層19的電阻增加，在CCP-CPP元件的自旋相關(guān)散射單元外部的電阻也增加，由此產(chǎn)生MR變化率的現(xiàn)象。因而，在使用任意氧化物材料的情況下，薄膜插入層19的膜厚希望為1.5nm或更小。
作為薄膜插入層19的材料，采用包含選自由Al、Si、Mg、Ti、Ta和Zn構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物和氧氮化物作為主要成分。
金屬層17和自由層18的膜厚希望在使薄膜插入層19的應(yīng)力控制有效的范圍內(nèi)。當(dāng)金屬層17和自由層18的總膜厚太大時，變得難于使隔離層16到自由層18的自旋相關(guān)散射單元的應(yīng)力變化是漸變的。這是因為薄膜插入層19的應(yīng)力控制作用很難施加到在CCP-NOL隔離層16附近的區(qū)域。因此，金屬層17和自由層18的總膜厚優(yōu)選為10nm或更小，更優(yōu)選為5nm或更小。
在該實施方式中，將具有與隔離層16相同極性的應(yīng)力的薄膜插入層19設(shè)置在自由層18上。因而，位于隔離層16上的金屬層17和自由層18的內(nèi)部應(yīng)力與隔離層16的內(nèi)部應(yīng)力之間的差距減小。因此，如上所述，與由在電流激勵時的熱生成產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力一致的各個層的原子遷移的差距減小，自旋相關(guān)界面散射的降低可以被抑制。
結(jié)果，可以提供即使執(zhí)行長時間的電流激勵也不會使MR變化率降低和可靠性增加的磁阻效應(yīng)元件。
(3)在薄膜插入層19下設(shè)置有金屬層22的情況如圖4所示，在自由層18和薄膜插入層19之間可以設(shè)置金屬層22。金屬層22起障礙層的作用，保護沉積在金屬層22下的自由層18，防止其與薄膜插入層19的氧化物接觸及被氧化。
根據(jù)薄膜插入層19的材料和自由層18的材料，如在圖1中所示的磁阻效應(yīng)元件中所示的那樣，可以不必設(shè)置金屬層22。通過優(yōu)化退火條件，選擇薄膜插入層19的材料、自由層18的材料等，自由層18的氧化被避免，且可以不必在自由層18和薄膜插入層19之間形成金屬層22?？墒?，考慮到制造誤差，優(yōu)選在隔離層16上形成金屬層17。
當(dāng)設(shè)置了金屬層22時，金屬層17、自由層18和金屬層22的膜厚范圍優(yōu)選為使得通過薄膜插入層19進行的應(yīng)力控制有效。當(dāng)金屬層17、自由層18和金屬層22的總膜厚太大時，變得難于使隔離層16的自旋相關(guān)散射單元到自由層18的應(yīng)力變化是漸變的。這是因為薄膜插入層19的應(yīng)力控制作用很難施加到CCP-NOL隔離層16附近的區(qū)域。因此，金屬層17、自由層18和金屬層22的總膜厚優(yōu)選為10nm或更小，更優(yōu)選為5nm或更小。
(4)應(yīng)用于頂端型CCP-CPP元件在該實施方式中，其中被釘扎層14位于自由層18下面的底型CCP-CPP元件被描述為磁阻效應(yīng)元件的一個實例。關(guān)于這一點，通過薄膜插入層19的應(yīng)力控制也能夠應(yīng)用于其中被釘扎層14設(shè)置在自由層18上的頂端型CCP-CPP元件中。
在頂端型CCP-CPP元件中，在基底上依次沉積下電極11，基礎(chǔ)層12，自由層18，金屬層15，隔離層(CCP-NOL)16，金屬層17，被釘扎層14，釘扎層13，蓋層20和上電極21。如圖5所示，通過在基礎(chǔ)層12和自由層18之間沉積薄膜插入層19，通過在隔離層16附近的應(yīng)力控制能夠提高可靠性。
在頂端型CCP-CPP元件的情況下，金屬層22可以設(shè)置在薄膜插入層19和自由層18之間，如圖6所示。
(薄膜插入層19的制備)為了制備薄膜插入層19，可以使用通過氧化物、氮化物和氧氮化物的靶的直接濺射法。通過直接濺射法，可以沉積氧化物、氮化物或氧氮化物本身。作為靶材料，可以使用包含選自由Al、Si、Mg、Ti、Ta和Zn構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物和氧氮化物。
可以通過在沉積之后將金屬材料氧化來進行薄膜插入層19的制備。例如，在通過使用包含選自由作為氧化物基材的Al、Si、Mg、Ti、Ta和Zn構(gòu)成的組中的至少一種元素的靶來執(zhí)行沉積之后，供給氧化氣體以形成氧化物。
作為氧化的方法，可以使用自然氧化法，其中使基材的金屬薄膜與氧化氣氛接觸進而被氧化。可以采用進行RF等離子體或氧離子束的照射的利用能量輔助效果(energy assist effect)的氧化方法。后者更優(yōu)選，因為可以得到穩(wěn)定的氧化物。
上述方法在氮化和氧氮化的情況下也是有效的。例如，通過照射氮氣以及氮氣和氧氣的混合氣體的等離子體和離子，可以氮化或者氧氮化金屬，從而可以制備薄膜插入層19。
(第二實施方式)圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的磁阻效應(yīng)元件(CCP-CPP元件)的截面的剖視圖。在該實施方式中，與第一實施方式相比而言，添加了金屬層23，并且薄膜插入層19A的薄膜結(jié)構(gòu)不同。
薄膜插入層19A的薄膜結(jié)構(gòu)是CCP-NOL結(jié)構(gòu)，并具有絕緣層191和電流通道192。金屬層23用于形成電流通道192，是電流通道192的所謂供給源。然而在電流通道192形成之后，金屬層23不必再保留作為明確的金屬層。
通過制備具有CCP-NOL結(jié)構(gòu)的薄膜插入層19A，形成厚的薄膜插入層19A，能夠形成有效的應(yīng)力控制，而不會增加磁阻效應(yīng)元件的電阻值。
可是，即使在薄膜插入層19A使用CCP-NOL結(jié)構(gòu)的情況下，如果膜厚變成2.0nm或更大，則變得難于在制備工序中形成電流通道192。因此，薄膜插入層19A的膜厚優(yōu)選為0.5nm至2.0nm。
薄膜插入層19A的電流通道192的密度可以在這樣的范圍，在該范圍內(nèi)獲得了應(yīng)力控制效果，并且不會由于電阻增加引起MR比率的降低。因為下述原因，所述密度優(yōu)選為30％～60％，包括30％和60％。在這種情況下，密度R等于電流通道的面積S2與薄膜插入層19A的面積S0的比值(S2/S0)。
薄膜插入層19A的應(yīng)力值σ0和其面積S0的乘積σ0·S0等于絕緣層191的內(nèi)部應(yīng)力σ1和其面積S1的乘積σ1·S1與電流通道192的內(nèi)部的應(yīng)力σ2和其面積S2的乘積σ2·S2的總和。即，表示為下列公式(1)。
σ0·S0＝σ1·S1+σ2·S2......公式(1)由公式(1)，得到公式(2)，σ0＝σ1·(1-R)+σ2·R...... 公式(2)公式(2)表明當(dāng)電流通道192的密度R變大時，薄膜插入層19A的應(yīng)力值σ0與絕緣層191的內(nèi)部應(yīng)力σ1相差越大，變得更接近于電流通道192的內(nèi)部應(yīng)力σ2。在這種情況下，電流通道192的內(nèi)部應(yīng)力σ2的絕對值小于絕緣層191的內(nèi)部應(yīng)力σ1的絕對值。因此，當(dāng)密度R變得太大時，薄膜插入層19A的應(yīng)力值σ0的絕對值就變小，因而變得很難展示出應(yīng)力控制作用。為了展示出應(yīng)力控制作用，薄膜插入層19A的電流通道192的開口比率(opening ratio)優(yōu)選為60％或更小。
另一方面，當(dāng)薄膜插入層19A的密度太小時，薄膜插入層19A的電阻增大。這意味著，在自旋相關(guān)散射單元外部的CCP-CPP元件的電阻增大，且導(dǎo)致MR變化率降低。因此，薄膜插入層19A的電流通道192的密度優(yōu)選為30％或更大。
由于上述原因，薄膜插入層19A的電流通道192的密度優(yōu)選為30％～60％，包括30％和60％。
(薄膜插入層19A的制備)圖8是表示薄膜插入層19A的制備工序的一個實例的流程圖。
CCP-NOL結(jié)構(gòu)的薄膜插入層19A按下列所述制備。
(1)金屬層23的形成(第一金屬層)(步驟S11)在自由層18上形成金屬層23。金屬層23將是薄膜插入層19A的電流通道192的供給源，是由Cu、Ag或Au組成的。
(2)將被氧化的金屬層的形成(第二金屬層)(步驟S12)在金屬層23上形成將要被氧化的金屬層。將被氧化的金屬層是將被轉(zhuǎn)換成薄膜插入層19A的氧化層(絕緣層191)的層，包含選自由Al、Si、Mg、Ti、Ta和Zn構(gòu)成的組中的至少一種元素。
(3)照射離子或等離子體到將被氧化的金屬層(步驟S13)將離子或等離子體照射到將被氧化的金屬層。稀有氣體(例如Ar)的離子束或者RF等離子體被照射到將被氧化的金屬層的表面。這個預(yù)處理稱為PIT(預(yù)離子處理)工序步驟。作為PIT工序步驟的結(jié)果，部分金屬層23被吸收且進入到所述將被氧化的金屬層。
(4)將被氧化的金屬層的氧化(步驟S14)氧化所述將被氧化的金屬層。更具體來說，當(dāng)執(zhí)行稀有氣體(例如Ar)的離子束或者RF等離子體的照射時供給氧化氣體(例如，O2)，把所述將被氧化的金屬層轉(zhuǎn)換成氧化層。通過氧化處理(IAO離子束輔助氧化)，制成CCP-NOL結(jié)構(gòu)的薄膜插入層19A，其中諸如Cu的電流通道192沿層疊方向貫穿所述氧化物材料(絕緣層191)。
(實施例)下面結(jié)合

本發(fā)明的實施例。
(實施例1)在該實施例中，制成如圖1所示的具有層疊結(jié)構(gòu)的磁阻效應(yīng)元件。
*下電極11*基礎(chǔ)層12Ta[5nm]/Ru[2nm]*釘扎層13Pt50Mn50[15nm]*被釘扎層14Co90Fe10[3.6nm]/Ru
/{(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}*金屬層15Cu
*隔離層16Al2O3絕緣層161和Cu電流通道162[1.5nm]*金屬層17Cu
*自由層18Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]*薄膜插入層19表1中所寫的具有壓應(yīng)力的氧化物材料
*蓋層20Cu[1nm]/Ta[5nm]*上電極21在基底上形成下電極11，用于使傳感電流沿垂直于自旋閥膜的方向上流過。
在下電極11上沉積Ta[5nm]/Ru[2nm]作為基礎(chǔ)層12。Ta是緩沖層12a，其減輕下電極的粗糙度。Ru是籽晶層12b，其控制沉積在其上的自旋閥膜的晶體取向和晶粒尺寸。
作為緩沖層12a，代替Ta，可以使用Ti、Zr、Hf、V、Cr、Mo、和W，以及它們的合金材料。緩沖層12a的膜厚優(yōu)選為3至5nm。當(dāng)緩沖層12a太薄時，緩沖效果就失去了。另一方面，當(dāng)緩沖層12a太厚時，導(dǎo)致當(dāng)傳感電流沿垂直方向流過時串聯(lián)電阻增大，因而，并不優(yōu)選緩沖層12a太厚。
作為籽晶層12b，優(yōu)選使用具有hcp結(jié)構(gòu)(六角密堆結(jié)構(gòu))或fcc結(jié)構(gòu)(面心立方結(jié)構(gòu))的材料。
當(dāng)Ru用作籽晶層12b時，沉積在其上的自旋閥膜的晶體取向可以形成fcc(111)取向，PtMn的晶體取向可以形成fct(111)取向，并且bcc結(jié)構(gòu)的晶體取向可以形成bcc(110)取向。
通過設(shè)置籽晶層12b，沉積在其上的自旋閥膜的晶粒尺寸可以控制在10至40nm。因此，即使所述元件尺寸變小，也不會使金屬通道在所述各元件中的占有率發(fā)生變化，且可以得到適當(dāng)?shù)拿娣e電阻(area resistance)Ra和高MR。
籽晶層12b的膜厚優(yōu)選為2至6nm。如果籽晶層12b的厚度太小，晶體取向的控制效果就失去了。當(dāng)傳感電流沿垂直方向流過時，膜厚太大的緩沖層12b導(dǎo)致串聯(lián)電阻增大，因而這不是優(yōu)選的。
在基礎(chǔ)層12上沉積Pt50Mn50[15nm]作為釘扎層13。釘扎層13具有固定沉積在其上的被釘扎層14的磁化方向的作用。膜厚太小的釘扎層13不能展示出釘扎固定的作用，因而并不是優(yōu)選的，但膜厚太大的釘扎層13從間隙變窄的角度來看也不是優(yōu)選的。當(dāng)Pt50Mn50用作釘扎層13時，Pt50Mn50的膜厚優(yōu)選約為8～20nm，更優(yōu)選為10～15nm。
作為用于釘扎層13的抗磁材料，除PtMn外還列舉有PdPtMn和IrMn。IrMn用比PtMn和PdPtMn更小的膜厚展示出釘扎固定的作用，并且從間隙變窄的角度來看是優(yōu)選的。當(dāng)IrMn用作釘扎層13時，IrMn的膜厚優(yōu)選為4～12nm，更優(yōu)選為5～10nm。
在釘扎層13上沉積被釘扎層14。在該實施例中，作為被釘扎層14，使用由下被釘扎層141(Co90Fe10[3.6nm])、磁偶合中間層142(Ru
)、上被釘扎層143{(Fe50Co50[1nm[/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}組成的合成被釘扎層。
下被釘扎層141與釘扎層13形成交換磁偶合，具有單方向各向異性。下被釘扎層141和上被釘扎層143經(jīng)過磁偶合中間層142磁性偶合，以使磁化方向彼此反平行。
下被釘扎層141優(yōu)選設(shè)計成使磁性膜厚，即飽和磁化Bs×膜厚t(Bs·t之積)，基本上等于上被釘扎層143。在該實施例中，上被釘扎層143為(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]，F(xiàn)eCo的飽和磁化強度大約為2.2T，因而磁性膜厚為2.2T×3nm＝6.6Tnm。至于下被釘扎層141，Co90Fe10的飽和磁化強度大約為1.8T，使磁化膜厚等于上述值的下被釘扎層141的膜厚則為6.6Tnm/1.8T＝3.66nm。在該實施例中，使用膜厚3.6nm的Co90Fe10膜。
從通過釘扎層13(PtMn)的單方向各向異性磁場強度和下被釘扎層141與上被釘扎層143經(jīng)過Ru的反鐵磁偶合磁場強度來看，用作下被釘扎層141的磁性層的膜厚優(yōu)選約為2～5nm。如果膜厚太小，MR變化率變小，如果膜厚太大，變得難于得到用于裝置操作所需的足夠的單向各向異性磁場強度。
對于下被釘扎層141，例如，可以使用CoXFe100-X合金(X＝0～100％)，NiXFe100-X合金(X＝0～100％)，或者通過將非磁性元素添加到它們中而形成的材料。
磁性偶合中間層(Ru層)142具有通過在上和下磁性層之間引起反鐵磁偶合來形成合成釘扎結(jié)構(gòu)的作用。磁性偶合中間層142的膜厚優(yōu)選為0.8～1nm。除Ru外還可以使用其它材料，只要該材料能使上和下磁性層之間產(chǎn)生足夠的反鐵磁偶合即可。
上被釘扎層143{(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}形成為自旋相關(guān)界面散射單元的一部分。位于與隔離層16的界面的磁性材料在其對自旋相關(guān)磁場散射的作用方面特別重要。在該實施例中，使用具有bcc結(jié)構(gòu)的Fe50Co50。
當(dāng)在與隔離層16的界面中使用具有bcc結(jié)構(gòu)的磁性材料時，得到大的自旋相關(guān)界面散射效應(yīng)，因而可實現(xiàn)大MR變化率。作為具有bcc結(jié)構(gòu)的FeCo合金，所列舉的有FeXCo100-X(X＝30～100％)，和添加了添加元素的FeXCo100-X。
在許多情況下，用于自旋閥膜的金屬材料是fcc結(jié)構(gòu)(面心立方結(jié)構(gòu))或者fct結(jié)構(gòu)(面心四角結(jié)構(gòu)，face-centered tetragonal structure)，因此，有時僅僅上被釘扎層143具有bcc結(jié)構(gòu)。因此，膜厚太小的上被釘扎層143并不優(yōu)選，因為這種上被釘扎層143很難保持bcc結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及不能夠得到高MR變化率。用作上被釘扎層143(在隔離層16和Ru之間的被釘扎層14)的磁性材料的膜厚優(yōu)選為2nm或更大，且優(yōu)選為5nm或更小，以得到大的釘扎固定磁場。
當(dāng)由具有易實現(xiàn)高MR變化率的bcc結(jié)構(gòu)的磁性層形成被釘扎層14時，具有bcc結(jié)構(gòu)的所述層的膜厚優(yōu)選約為2nm或更大，以便保持bcc結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。為了得到大的釘扎固定磁場和保持bcc結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具有bcc結(jié)構(gòu)的被釘扎層14的膜厚范圍優(yōu)選大約為2.5nm至4nm。
作為被釘扎層14的組成材料，所列舉的有Fe75Co25至Fe85Co15或類似物質(zhì)，其在相圖中的組成范圍在可以得到更穩(wěn)定的bcc結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)。對于上被釘扎層143，代替具有bcc結(jié)構(gòu)的磁性材料，可以使用fcc結(jié)構(gòu)的CoFe合金和具有hcp結(jié)構(gòu)的鈷合金。單金屬比如Co、Fe和Ni，和包含其中至少任意一種元素的合金材料都可以使用。按照有利于獲得大MR變化率的順序列出上被釘扎層143的磁性材料，具有bcc結(jié)構(gòu)的合金材料、具有鈷成分不低于50％的鈷合金、和具有鎳成分不低于50％的鎳合金按該順序列出。
在該實施例中，作為上被釘扎層143，使用通過交替層疊磁性層(FeCo層)和非磁性層(超薄Cu層)而形成的層。在具有這種結(jié)構(gòu)的上被釘扎層143中，被稱為體散射效應(yīng)的自旋相關(guān)散射效應(yīng)可以提高。在CCP-CPP元件中，電流被限制在所述隔離層的附近，因此，在隔離層16的磁場附近的電阻的作用變得非常大。在這種情況下，場散射效應(yīng)的作用大于體散射效應(yīng)，因此，選擇位于與隔離層16的界面中的材料具有重要的意義?？墒?，使用具有很大體散射效應(yīng)的材料是有效的。
在磁性層之間的Cu層的膜厚優(yōu)選為0.1至1nm，更優(yōu)選為0.2至0.5nm，如果Cu層的膜厚太小，提高體散射效應(yīng)的效果變小。如果Cu層的膜厚太大，體散射效應(yīng)有時降低，除此之外，上和下磁性層經(jīng)過非磁性Cu層的磁偶合變?nèi)?，被釘扎?4的特性變得不足。
作為在磁性層之間的非磁性層的材料，代替Cu，可以使用Hf、Zr、Ti等。磁性層比如FeCo層的膜厚優(yōu)選為0.5至2nm，更優(yōu)選約為1至1.5nm。
代替具有FeCo層和Cu層交替層疊的上被釘扎層143，可以使用具有FeCo和Cu合金的上被釘扎層143。作為這種FeCoCu合金，例如，列舉有(FeXCo100-X)100-YCuY(X＝30～100％，Y＝3～15％)，但也可以使用除此之外的其它組成范圍。作為添加到FeCo的元素，可以使用其它元素比如Hf、Zr和Ti，代替Cu。
對于上被釘扎層143，可以使用由Co、Fe、Ni，或其合金材料組成的單層薄膜。例如，作為具有最簡單結(jié)構(gòu)的上被釘扎層143，可以使用Co90Fe10單層?？梢韵蜻@些材料中添加元素。
在Cu沉積在被釘扎層14上作為將成為隔離層16的電流通道162的供給源的金屬層15之后，沉積AlCu層作為將被氧化的金屬層，其將被轉(zhuǎn)換成隔離層16的絕緣層。
通過照射稀有氣體(例如Ar)的離子束到將被氧化的金屬層進行預(yù)處理。該預(yù)處理是稱為PIT(預(yù)離子處理)。作為PIT的結(jié)果，部分金屬層15被吸收且進入到將被氧化的金屬層中。
之后，供給氧化氣體(例如氧氣)以氧化將被氧化的金屬層。經(jīng)過氧化，所述將被氧化的金屬層被轉(zhuǎn)換成由Al2O3組成的絕緣層161。用這種方式，形成由絕緣層161和貫穿絕緣層161的電流通道162組成的隔離層16。
根據(jù)AlCu的膜厚控制Cu層的膜厚，該Cu層是成為電流通道的第一金屬層。這是因為當(dāng)AlCu的膜厚形成為很大時，致使進入AlCu的Cu的量必須增加，以保持電流通道的占有率。如果Cu層的膜厚小于適當(dāng)范圍，則電流通道的占有率減少，而面積電阻變得高于適當(dāng)?shù)闹?。?dāng)Cu層的膜厚大于適當(dāng)范圍時，由CCP-NOL限制的電流在其到達磁性層之前擴布到Cu層中，使得MR變化率降低，這不是優(yōu)選的。
作為金屬層15，抗氧化和具體的電阻率低的材料是最理想的。代替Cu，可以使用Au、Ag等等。
當(dāng)AlCu用作將被氧化的金屬層時，在第一氧化工序中，不僅Cu被從第一金屬層吸收，而且在AlCu中的Cu也與Al分離開。在這種情況下，電流通道由第一金屬層和將被氧化的金屬層兩者中的Cu形成。在該實施例中，Al90Cu10用作將被氧化的金屬層，但不包含Cu的純Al可以用作將被氧化的金屬層。當(dāng)使用純Al時，電流通道僅僅由吸收的Cu形成。
將被氧化的金屬層的材料不限制為用于形成Al2O3的Al合金，而可以是Si、Mg、Ta、Zn等和采用它們作為主要成分的合金。由將被氧化的金屬層轉(zhuǎn)換成的絕緣層不限制為氧化物，而也可以是氮化物或氧氮化物。在使用任何材料作為將被氧化的金屬層的情況下，在沉積時的膜厚優(yōu)選為0.5至2nm，在轉(zhuǎn)化成氧化物、氮化物或氧氮化物之后的膜厚優(yōu)選為0.8至3.5nm。
在隔離層16上沉積Cu
作為金屬層17。金屬層17具有障礙層的作用，防止沉積在金屬層17上的自由層18與隔離層16的氧化物接觸及被氧化。
在某些情況下，通過優(yōu)化退火條件可以避免自由層18氧化，因此，不必總是在隔離層16上設(shè)置金屬層17。在隔離層16之下的金屬層15則是必要的，因為它是電流通道162的供給源，而在隔離層16上的金屬層17不是必需的。然而考慮到制造誤差，優(yōu)選在隔離層16上形成金屬層17。
作為金屬層17的材料，除Cu之外還可以使用Au、Ag、Ru等等?？墒?，金屬層17的材料優(yōu)選是與電流通道162的材料相同的材料。當(dāng)與電流通道162的材料不同類別的材料用作金屬層17的材料時，導(dǎo)致界面電阻增加，但如果它們兩者是相同的材料，就不會出現(xiàn)界面電阻增加。金屬層17的膜厚優(yōu)選為0至1nm。更優(yōu)選為0.1至0.5nm。如果金屬層17太厚，限制在隔離層16中的電流擴布到金屬層17中，使得電流限制效果不足，且導(dǎo)致MR變化率降低。
在金屬層17上沉積Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]作為自由層18。為了得到高MR變化率，位于與隔離層16的界面的自由層18的磁性材料的選擇是重要的。在這種情況下，設(shè)置CoFe合金比NiFe合金更優(yōu)選。在該實施例中，使用在CoFe合金中軟磁特性特別穩(wěn)定的Co90Fe10。
在使用接近Co90Fe10的CoFe合金的情況下，膜厚優(yōu)選形成為0.5至4nm。
在使用其它組成(例如隨被釘扎層14所描述的組成)的CoFe合金的情況下，所述膜厚優(yōu)選形成為0.5至2nm。為了增加自旋相關(guān)界面散射效應(yīng)，例如使用具有bcc結(jié)構(gòu)(對自由層18也采用該結(jié)構(gòu))的Fe50Co50作為被釘扎層14是可以想到的。因為在這種情況下，自由層18保持軟磁性，不能使用太大的膜厚，0.5至1nm是優(yōu)選的膜厚范圍。
在使用不包含Co的Fe的情況下，提供了相對優(yōu)良的軟磁特性，因此，所述膜厚可以形成為約0.5至4nm。
設(shè)置在CoFe層上的NiFe層是軟磁特性穩(wěn)定的材料。CoFe合金的軟磁特性不這么穩(wěn)定，但通過在其上設(shè)置NiFe合金，可以補充軟磁特性，并可以得到大MR變化率。
NiFe合金的組成優(yōu)選為NiXFe100-X(X＝約78～85％)。在該實施例中，使用比常用NiFe的組成Ni81Fe19的Ni含量更多的組成(Ni83Fe17)。這是因為當(dāng)在具有CCP結(jié)構(gòu)的隔離層16上形成自由層18時，用于實現(xiàn)零磁性應(yīng)變的Ni組分或多或少會改變。NiFe層的膜厚優(yōu)選約為2至5nm。
當(dāng)不使用NiFe層時，可以使用這樣的自由層18，其中多個分別為1至2nm的CoFe層或Fe層和多個分別為約0.1至0.8nm的超薄Cu層交替層疊。
金屬層17和自由層18的膜厚分別具有上面所述的理想膜厚范圍，它們的膜厚之和是在通過薄膜插入層19能有效得到應(yīng)力控制的理想范圍內(nèi)。當(dāng)金屬層17和自由層18的膜厚之和太大時，變得很難使隔離層16的自旋相關(guān)散射單元到自由層18的應(yīng)力改變是漸變的。這是因為薄膜插入層19的應(yīng)力控制作用難于施加在CCP-NOL隔離層16的附近區(qū)域。因此，金屬層17和自由層18的膜厚之和希望不超過10nm，進一步希望不超過5nm。在該實施例中，提供了Cu
作為金屬層17，Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]作為自由層18。因此，金屬層17和自由層18的膜厚之和為4.75nm。
在自由層18上層疊氧化物材料作為薄膜插入層19。在該實施例中，具有壓應(yīng)力的Al2O3用作CCP-NOL隔離層16。因此，對于薄膜插入層19，作為具有相同壓應(yīng)力的氧化物材料，使用在該實施方式的表1中示出的材料中的Al2O3、SiO2、MgO、ZnO和Ta2O5。
薄膜插入層19的膜厚可以在能得到應(yīng)力控制效果且不會由于電阻增加引起MR比率降低的任意范圍內(nèi)。由于下列原因，薄膜插入層19的膜厚希望為0.5nm至1.5nm。
薄膜插入層19施加到相鄰層的應(yīng)力的幅度與氧化物材料的內(nèi)部應(yīng)力σADJ和膜厚tADJ的乘積σADJ·tADJ成正比。因此，當(dāng)薄膜插入層19的膜厚太小時，不能展示出應(yīng)力控制作用，而當(dāng)薄膜插入層19的膜厚越大，應(yīng)力控制執(zhí)行得就越有效。為了展示出應(yīng)力控制作用，薄膜插入層19的膜厚希望為0.5nm或更大。
另一方面，如果薄膜插入層19的膜厚太大，則薄膜插入層19的電阻增加，在自旋相關(guān)散射單元外部的CCP-CPP元件的電阻增加，由此導(dǎo)致MR變化率的現(xiàn)象。因而，在使用任意氧化物材料的情況下，薄膜插入層19的膜厚希望為1.5nm或更小。
在該實施例中，用不同種類的氧化物材料將薄膜插入層19恰當(dāng)?shù)乜刂圃?.5nm至1.5nm的范圍內(nèi)，這是應(yīng)力控制效果能夠展示，并且是制造出來后不增加薄膜插入層19的電阻的膜厚范圍。
在該實施例中，如圖1所示，在自由層18上設(shè)置薄膜插入層19，但也可以如圖2所示，在自由層18和薄膜插入層19之間可以設(shè)置金屬層22。金屬層22具有障礙層的作用，其防止沉積在其下的自由層18與薄膜插入層19的氧化物接觸及被氧化。
在某些情況下，通過優(yōu)化等退火條件等可以避免自由層18氧化，因此，不需要總是在自由層18和薄膜插入層19之間設(shè)置金屬層22。然而考慮到制造誤差，優(yōu)選的是在自由層18和薄膜插入層19之間形成金屬層22。作為金屬層22的材料，可以使用Cu、Au、Ag、Ru等。金屬層22的膜厚優(yōu)選為0至1nm，更優(yōu)選為0.1至0.5nm。
當(dāng)設(shè)置有金屬層22時，金屬層17、自由層18和金屬層22的膜厚之和希望在通過薄膜插入層19能有效得到應(yīng)力控制的范圍內(nèi)。當(dāng)金屬層17、自由層18和金屬層22的膜厚之和太大時，它變得很難使隔離層16的自旋相關(guān)散射單元到自由層18的應(yīng)力變化是漸變的。這是因為薄膜插入層19的應(yīng)力控制作用很難施加到在CCP-NOL隔離層16附近的區(qū)域。因此，金屬層17、自由層18和金屬層22的膜厚之和希望為10nm或更小，更希望為5nm或更小。
在薄膜插入層19上層疊Cu[1nm]/Ru[10nm]作為蓋層20。蓋層20具有保護自旋閥膜的作用。Cu層的膜厚優(yōu)選為約0.5至10nm。可以不設(shè)置Cu層、而直接在自由層18上設(shè)置約0.5至10nm厚的Ru層?？梢栽贑u層上設(shè)置其它金屬層，代替Ru層。不特別限制蓋層20的組分，也可以使用其它材料，只要它們能夠體現(xiàn)蓋的效果即可。在蓋層20上形成用于使電流垂直流過自旋閥膜的上電極21。
當(dāng)評價該實施例的CCP-CPP元件特性時，與不插入薄膜插入層19的情況相比，在使用Al2O3、SiO2、MgO、ZnO和Ta2O5中任意一種氧化物材料作為薄膜插入層19的情況下，因長時間電流激勵引起的MR惡化的降低得到證實。
(實施例2)在該實施例中，制造圖1中所示的具有層疊結(jié)構(gòu)的磁阻效應(yīng)元件。
*下電極11*基礎(chǔ)層12Ta[5nm]/Ru[2nm]*釘扎層13Pt50Mn50[15nm]*被釘扎層14Co90Fe10[3.6nm]/Ru
/{(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}*金屬層15Cu
*隔離層16TiO2絕緣層161和Cu電流通道162*金屬層17Cu
*自由層18Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]*薄膜插入層19表2中所寫的氧化物材料*蓋層20Cu[1nm]/Ta[5nm]在CCP-NOL隔離層16的材料和薄膜插入層19之的材料方面，實施例2的結(jié)構(gòu)不同于實施例1的結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用具有張應(yīng)力的TiO2作為CCP-NOL隔離層16的絕緣層材料時，表2中所寫的具有與隔離層16相同張應(yīng)力的材料可以用作薄膜插入層19。在該實施例中，使用TiO2作為薄膜插入層19。
當(dāng)評價該實施例的CCP-CPP元件的特性時，與其中沒有插入薄膜插入層19的情況相比，通過使用TiO2作為薄膜插入層19，證實了因長時間電流激勵引起的MR惡化被降低。
(實施例3)在該實施例中，制成如圖7中所示的具有層疊結(jié)構(gòu)的磁阻效應(yīng)元件。
*下電極11*基礎(chǔ)層12Ta[5nm]/Ru[2nm]*釘扎層13Pt50Mn50[15nm]*被釘扎層14Co90Fe10[3.6nm]/Ru
/{(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}*金屬層15Cu
*隔離層16Al2O3絕緣層161和Cu電流通道162[1.5nm]*金屬層17Cu
*自由層18Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]*金屬層23Cu[1nm]*薄膜插入層19由表1中所寫的具有壓應(yīng)力的氧化物材料組成的絕緣層191和Cu電流通道192
*蓋層20Cu[1nm]/Ta[5nm]除了金屬層23和薄膜插入層19A的薄膜結(jié)構(gòu)外，實施例3的結(jié)構(gòu)不同于實施例1的結(jié)構(gòu)。薄膜插入層19A的薄膜結(jié)構(gòu)是CCP-NOL結(jié)構(gòu)，具有絕緣層191和電流通道192。金屬層23用于形成電流通道192，是電流通道192的所謂供給源?？墒牵陔娏魍ǖ?92形成之后，金屬層23不必被保留作為明確的金屬層。
CCP-NOL結(jié)構(gòu)的薄膜插入層19A按下列所述制備。在自由層18上形成金屬層22。金屬層22是成為薄膜插入層19A和電流通道192的供給源的層，并由Cu、Ag或Au組成。在金屬層23上形成將被氧化的金屬層。該將被氧化的金屬層是將被轉(zhuǎn)換成薄膜插入層19A的氧化層(絕緣層191)的層，包含選自由Al、Si、Mg、Ti、Ta和Zn構(gòu)成的組中的至少一種元素。將稀有氣體(例如Ar)的離子束或RF等離子體照射到將被氧化的金屬層的表面。這個預(yù)處理稱為PIT(預(yù)離子處理)工序步驟。作為PIT工序步驟的結(jié)果，部分金屬層23被吸收且進入到將被氧化的金屬層。
氧化將被氧化的金屬層。更具體來說，在稀有氣體(例如Ar)的離子束或者RF等離子體照射時通過供給氧化氣體(例如氧氣)，把所述將被氧化的金屬層轉(zhuǎn)換成氧化層。通過所述氧化處理(IAO離子束輔助氧化)，制成CCP-NOL結(jié)構(gòu)的薄膜插入層19A，其中Cu等構(gòu)成的電流通道192沿層疊方向貫穿氧化物材料(絕緣層191)。
當(dāng)評價該實施例的CCP-CPP元件的特性時，與其中沒有插入薄膜插入層19的情況下相比，在使用Al2O3、SiO2、MgO、ZnO和Ta2O5中任意一種氧化物材料作為薄膜插入層19A的絕緣層191的情況下，因長時間電流激勵引起的MR變化率的降低被證實。
(實施例4)在該實施例中，制成如圖7中所示的具有層疊結(jié)構(gòu)的磁阻效應(yīng)元件。
*下電極11*基礎(chǔ)層12Ta[5nm]/Ru[2nm]*釘扎層13Pt50Mn50[15nm]*被釘扎層14Co90Fe10[3.6nm]/Ru
/{(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}*金屬層15Cu
*隔離層16TiO2絕緣層161和Cu電流通道162[1.5nm]*金屬層17Cu
*自由層18Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]*金屬層23Cu[1nm]*薄膜插入層19A由具有壓應(yīng)力的表2中所寫的氧化物材料組成的絕緣層191和Cu電流通道192
*蓋層20Cu[1nm]/Ta[5nm]在CCP-NOL隔離層16的材料和薄膜插入層19的材料方面，實施例4的結(jié)構(gòu)不同于例3的結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用具有張應(yīng)力的TiO2作為CCP-NOL隔離層16的絕緣材料時，表2中所寫的具有與隔離層16相同張應(yīng)力的材料可以用作薄膜插入層19A的絕緣層191。在該實施例中，使用TiO2作為薄膜插入層19A的絕緣層191。
當(dāng)評價該實施例的CCP-CPP元件的特性時，與其中沒有插入薄膜插入層19A的情況下相比，通過使用TiO2作為薄膜插入層19A的絕緣層191，因長時間電流激勵引起的MR惡化的降低被證實，(磁阻效應(yīng)元件的應(yīng)用)下面將說明根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁阻效應(yīng)元件的應(yīng)用。
(磁頭)圖9和圖10表示根據(jù)所述各實施方式的磁阻效應(yīng)元件被并入到磁頭中的狀態(tài)。圖9是沿基本上平行于與磁記錄介質(zhì)(未示出)相對的介質(zhì)相對面(medium opposing surface)的方向切開的磁阻效應(yīng)元件的剖視圖。圖10是磁阻效應(yīng)元件的沿垂直于介質(zhì)相對面ABS的方向切開時的剖視圖。
作為實施例在圖9和10中示出的磁頭具有所謂的硬相接結(jié)構(gòu)(hardabutted structure)。磁阻效應(yīng)膜10是上面所述的CCP-CPP膜。下電極11和上電極21分別設(shè)置在磁阻效應(yīng)膜10之下和之上。在圖9中，在磁阻效應(yīng)膜10的兩側(cè)表面上，層疊和設(shè)置有偏置磁場施加膜41和絕緣膜42。如在圖10中所示，在磁阻效應(yīng)膜10的介質(zhì)相對面上設(shè)置有保護層43。
傳感電流沿基本上垂直于膜面的方向如箭頭A所示經(jīng)過設(shè)置在磁阻效應(yīng)膜10之下和之上的下電極11和上電極21流過磁阻效應(yīng)膜10。偏置磁場通過設(shè)置在左右兩側(cè)的一對偏置磁場施加膜41和41施加給磁阻效應(yīng)膜10。通過控制磁阻效應(yīng)膜10的自由層18的磁性各向異性以通過所述偏置磁場使其形成單磁疇，該磁疇結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，可以控制伴隨磁疇壁的移動的Barkhausen噪聲。
磁阻效應(yīng)膜10的S/N比提高，因此當(dāng)其應(yīng)用于磁頭時，能夠有高靈敏度的磁再現(xiàn)。
(硬盤和磁頭萬向接頭組件(Head Gimbal assembly))通過并入到記錄/再現(xiàn)集成型磁頭組件中，圖9和10中所示的磁頭可以裝載到磁記錄再現(xiàn)裝置上。
圖11是表示這種磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備的示意構(gòu)成的主要部分的透視圖。即，磁記錄/再現(xiàn)裝置150是一類使用旋轉(zhuǎn)致動器的裝置。在該圖中，磁盤200安裝到主軸152上，并響應(yīng)于來自未示出的驅(qū)動裝置控制部分的控制信號，沿箭頭A的方向被未示出的電機轉(zhuǎn)動。磁記錄/再現(xiàn)裝置150可以包括多個磁盤200。
磁頭滑塊153執(zhí)行將信息記錄入磁盤200中和再現(xiàn)存儲在磁盤200中的信息，該磁頭滑塊153被安裝到懸架154的頂端。磁頭滑塊153的頂端附近裝載有包括根據(jù)上述任一個實施方式的磁阻效應(yīng)元件的磁頭。
當(dāng)磁盤200旋轉(zhuǎn)時，磁頭滑塊153的面向介質(zhì)表面(ABS)距離磁盤200的表面保持一定的浮動量。或者，可以采用所謂的“接觸行進型”(contact-traveling type)，其中滑塊與磁盤200相接觸。
懸架154連接到致動器臂155的一端。音圈電機156是一種線性電機，設(shè)置在致動器臂155的另一端。音圈電機156由未示出的纏繞在線圈管部分上的驅(qū)動線圈、和彼此相向設(shè)置以夾住所述線圈的由永久磁鐵與相對軛構(gòu)成的磁路構(gòu)成。
致動器臂155由設(shè)置在樞軸157的兩個上下點上的未示出的球形軸承支持，以便能夠通過音圈電機156旋轉(zhuǎn)滑動。
圖12是從磁盤一側(cè)觀看時，在遠離致動器155的末端的磁頭萬向接頭組件的放大透視圖。即，組件160具有致動器臂155，懸架154連接到致動器臂155的一端。磁頭滑塊153包括磁頭，該磁頭包括根據(jù)上述實施方式中任一個實施方式的磁阻效應(yīng)元件，磁頭滑塊153被安裝到懸架154的末端。懸架154具有用于寫和讀信號的導(dǎo)線164，導(dǎo)線164和并入到磁頭滑塊153中的磁頭的每個電極電連接。附圖中參考標記165表示組件160的電極焊墊。
根據(jù)本實施方式，通過包括包含上述磁阻效應(yīng)元件的磁頭，可以可靠地讀出用高記錄密度磁性地記錄在磁盤200中的信息。
(磁存儲器)接下來，描述裝載有根據(jù)上述實施方式的磁阻效應(yīng)元件的磁存儲器。即，可以實現(xiàn)根據(jù)所述實施方式的磁存儲器，比如磁性隨機存取存儲器。
圖13是表示所述實施方式的磁存儲器的矩陣構(gòu)成的一個實例示圖。圖15是表示當(dāng)存儲器單元以陣列形狀設(shè)置時的電路構(gòu)成。為了選擇陣列中的1位(bit)，將列解碼器350和行解碼器351包括在內(nèi)，開關(guān)晶體管330由位線334和字線332打開，從而唯一地選擇一個位，且通過用傳感放大器352檢測它，可以讀出記錄在磁阻效應(yīng)膜10的磁記錄層(自由層)中的位信息。當(dāng)寫入位信息時，寫電流流過指定的寫字線323和位線322，且施加生成的磁場。
圖14是表示根據(jù)所述實施方式的磁存儲器的矩陣構(gòu)成的另一個實例的示圖。在這種情況下，以矩陣形狀排列的位線322和字線334分別通過解碼器360和361被選擇，從而選定該陣列中的具體存儲器單元。每個存儲器單元具有的結(jié)構(gòu)是其中磁阻效應(yīng)元件10和二極管D串聯(lián)連接。這里，二極管D具有防止傳感電流在除磁阻效應(yīng)元件10外的選定的存儲器單元中繞行的作用。用通過使寫電流分別流過具體的寫位線322和寫字線323而產(chǎn)生的磁場執(zhí)行寫入操作。
圖15是表示根據(jù)所述實施方式的磁存儲器的主要部分的剖視圖。圖16是表示沿圖15中的A-A’線的剖視圖。這些附圖中所示的結(jié)構(gòu)與包含在圖13或圖14中示出的磁存儲器中的1位存儲器單元相對應(yīng)。所述存儲器單元具有存儲器元件部分311和地址選擇晶體管部分312。
存儲器元件部分311具有磁阻效應(yīng)元件10和連接到磁阻效應(yīng)元件10的一對導(dǎo)線322和324。所述磁阻效應(yīng)元件10是根據(jù)上面描述的實施方式的磁阻效應(yīng)元件(CCP-CPP元件)。
同時，地址選擇晶體管部分312具有經(jīng)過通道326連接的晶體管330和暗線328。晶體管330根據(jù)施加給柵極332的電壓執(zhí)行開關(guān)操作，并控制磁阻效應(yīng)元件10的電流通道和導(dǎo)線334的開和關(guān)。
在磁阻效應(yīng)元件10的下面，沿基本上垂直于導(dǎo)線322的方向設(shè)置有寫入導(dǎo)線323。這些寫入導(dǎo)線322和323可以由例如鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鉭(Ta)或包括上述任意之一的合金形成。
在具有這種組成的存儲器單元中，當(dāng)位信息被寫入到磁阻效應(yīng)元件10中時，寫入脈沖電流流過導(dǎo)線322和323，且通過施加由所述電流感生的合成磁場，恰當(dāng)?shù)胤崔D(zhuǎn)磁阻效應(yīng)元件的記錄層的磁化。
當(dāng)位信息被讀出時，傳感電流流過導(dǎo)線322、包括磁記錄層的磁阻效應(yīng)元件10、和下電極324，并測量磁阻效應(yīng)元件10的電阻值和電阻值的變化。
通過使用根據(jù)上面所述實施方式的磁阻效應(yīng)元件(CCP-CPP元件)，即使存儲器單元尺寸微小，根據(jù)所述實施方式的磁存儲器也能可靠地控制記錄層的磁疇，且能夠確保可靠地寫入和可靠地執(zhí)行讀出。
近來，代替上述通過電流磁場的寫入法，提出了一種利用自旋注射磁化反轉(zhuǎn)的寫入法。自旋注射磁化反轉(zhuǎn)寫入法是通過使電流流過準磁阻效應(yīng)元件10來執(zhí)行寫操作的方法，其中自旋的方向是對齊的。在自旋注射磁化反轉(zhuǎn)寫入法的磁存儲器中，可以使用根據(jù)上述實施方式的磁阻效應(yīng)元件(CCP-CPP元件)。通過這樣做，即使存儲器單元尺寸微小，記錄層的磁疇也可以可靠地控制以能夠確?？煽康貙懭牒湍軌蚩煽康貓?zhí)行讀出。
作為用于MRAM中的磁阻效應(yīng)元件10，可以實現(xiàn)圖17中所示的具有層疊結(jié)構(gòu)的實施例。
*基礎(chǔ)層12Ta[5nm]/Ru[2nm]*釘扎層13Pt50Mn50[15nm]*被釘扎層14Co90Fe10[3.4nm]/Ru
/(Co80Fe20)B10[3.5nm]*隧道絕緣層24MgO[1.5nm]*下自由層18ACo90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[1nm]*電流限制層25Al2O3絕緣層的CCP-NOL[1.0nm]和NiFe電流通道*上自由層18BNiFe[2.5nm]*金屬層23Cu
*薄膜插入層19A由表1中所寫的具有壓應(yīng)力的氧化物材料組成的絕緣層191的CCP-NOL
和Cu電流通道*蓋層20Cu[1nm]/Ta[5nm]在MRAM中使用時，建議通過隧道元件實現(xiàn)磁阻效應(yīng)，CCP結(jié)構(gòu)用于提高MRAM等的開關(guān)技術(shù)(H.Meng and J-P.wang，IEEE Trans Magn.41(10)，2612(2005))。
在這種情況下，必須在自由層的內(nèi)部設(shè)置CCP-NOL作為電流限制層25。這時，伴隨因電流激勵引起的在CCP-NOL的附近的熱生成和在CCP-NOL的附近的作為驅(qū)動力的內(nèi)部應(yīng)力的原子遷移發(fā)生。在這種情況下，應(yīng)力的分布在CCP-NOL的附近很大，因此，原子的遷移長度也出現(xiàn)分布。結(jié)果，在與為晶體氧化物的MgO相鄰的金屬層的界面中，或者在金屬層內(nèi)，有可能出現(xiàn)晶格失配、原子混合和粗糙度增加。這些現(xiàn)象成為TMR效應(yīng)降低的原因。
在這種情況下，正如上面的實施方式中所述，薄膜插入層(材料的應(yīng)力尤其具有與自由層內(nèi)的電流限制層25的材料的特定內(nèi)部應(yīng)力相同極性)插入在自由層上，由此，可以防止TMR效應(yīng)的降低。在該實施例中，在自由層中的電流限制層25的材料是具有壓應(yīng)力的Al2O3，因此，作為薄膜插入層19A的絕緣層191的材料，可以使用表1中所寫的具有相同壓應(yīng)力的氧化物材料。
當(dāng)CCP-NOL層插入到自由層的內(nèi)部作為電流限制層25時，希望使用Ni、Co、Fe和它們的合金材料代替Cu作為成為電流通道的金屬。這是因為優(yōu)選上下磁性層經(jīng)過CPP-NOL彼此很強地磁性偶合。
作為用于實現(xiàn)被插入到自由層的CCP-NOL的形成工序，希望執(zhí)行上述PIT/IAO處理。在這種情況下，作為用于形成電流通道的材料，可以直接使用自由層的組成材料。
該實施例的隧道磁阻效應(yīng)元件的面積電阻RA的值基本上由MgO隧道絕緣層確定，為1.5至1×103Ωμm2。與實施例1的CCP-CPP元件的面積電阻RA、即500mΩμm2相比，該實施例的隧道元件的RA值很大。因此，當(dāng)施加與實施例1中相同的電壓時，所述元件的傳感電流小于實施例1中電流。因此，因傳感電流激勵引起的熱生成小于在實施例1中的CCP-CPP元件。
可是，在這樣的情況下，相當(dāng)多的降低TMR效應(yīng)的如上所述的現(xiàn)象能夠發(fā)生。在該實施例的隧道磁阻效應(yīng)元件中，通過插入薄膜插入層19A，可以期望防止導(dǎo)致上述TMR效應(yīng)降低的現(xiàn)象。
作為在MRAM中使用的磁阻效應(yīng)膜10，可以實現(xiàn)如圖18中所示的具有層疊結(jié)構(gòu)的實施例。
*基礎(chǔ)層12Ta[5nm]/Ru[2nm]*釘扎層13Pt50Mn50[15nm]*被釘扎層14Co90Fe10[3.4nm]/Ru
/(Co80Fe20)B10[3.5nm]*隧道絕緣層24MgO[1.5nm]
*自由層18Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]*金屬層23Cu
*薄膜插入層19A由表1中所寫的具有壓應(yīng)力的氧化物材料組成的絕緣層CCP-NOL
和Cu電流通道*蓋層20Cu[1nm]/Ta[5nm]在用于MRAM的該實施例中，磁阻效應(yīng)通過隧道元件實現(xiàn)。在隧道元件的情況下，熱生成發(fā)生在隧道絕緣層的附近，盡管熱生成不像CCP-NOL的焦耳熱那樣大。因此，隨熱生成和作為驅(qū)動力的內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生原子遷移。
在這種情況下，在用作隧道絕緣層24的MgO的附近的區(qū)域處于具有很大應(yīng)力分布的不穩(wěn)定狀態(tài)。在MgO的附近區(qū)域，應(yīng)力分布很大，因此，原子的遷移長度也出現(xiàn)分布。結(jié)果，在與MgO相鄰的金屬層的界面中，或者在金屬層內(nèi)，有可能出現(xiàn)晶格失配、原子混合和粗糙度增加，所述MgO是隧道絕緣膜的晶體氧化物作為所述隔離層。這些現(xiàn)象成為TMR效應(yīng)降低的原因。
在這種情況下，正如在上述實施方式中所述，薄膜插入層(尤其具有與在隧道絕緣層24的材料的特定內(nèi)部應(yīng)力相同極性的應(yīng)力的材料)插入在自由層上，由此，可以防止TMR效應(yīng)的降低。在該實施例中，隧道絕緣層24的材料是具有壓應(yīng)力的MgO。因此，作為薄膜插入層19A的絕緣層191的材料，可以使用表1中所寫的具有相同壓應(yīng)力的氧化物材料。
該實施例的隧道磁阻效應(yīng)元件的面積電阻RA的值基本上由隧道絕緣層MgO確定，為1.5至1×103Ωμm2。與實施例1的CCP-CPP元件的面積電阻RA、即500mΩμm2相比，該實施例的隧道元件的RA值很大。因此，當(dāng)施加與實施例1中相同的電壓時，元件的傳感電流小于實施例1中的電流。因此，因傳感電流激勵引起的熱生成小于實施例1中的CCP-CPP元件。
可是，在這樣的情況下，很多降低TMR效應(yīng)的如上所述的現(xiàn)象會發(fā)生。在該實施例的隧道磁阻效應(yīng)元件中，通過插入薄膜插入層19A，可以期望防止導(dǎo)致上述TMR效應(yīng)降低的現(xiàn)象。
(其它實施方式)本發(fā)明的實施方式不限制到上面所描述的實施方式，可以擴大和改變，擴大和改變后的實施方式也包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
關(guān)于磁阻效應(yīng)膜的具體結(jié)構(gòu)、電極的形狀和材料、偏壓施加膜、絕緣膜和除此之外的其它部分，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過從已知的范圍中適當(dāng)選擇它們，從而相似地實現(xiàn)本發(fā)明，并得到相似的效果。
例如，在將磁阻效應(yīng)元件應(yīng)用到再現(xiàn)磁頭上，可以通過施加磁屏蔽到元件的頂部和底部來規(guī)定磁頭的檢測分辨率。
本發(fā)明的實施方式可以應(yīng)用于不僅縱向磁記錄方法的磁頭或磁再現(xiàn)設(shè)備，而且可應(yīng)用于垂直磁記錄方法的磁頭或磁再現(xiàn)設(shè)備中。
此外，本發(fā)明的磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備可以是所謂的固定型，其固定地包括特定的記錄介質(zhì)，也可以是所謂的“可移動”型，其中記錄介質(zhì)可以更換。
而且，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以基于上述本發(fā)明的實施方式中所述的磁頭和磁記錄/再現(xiàn)裝置，通過適當(dāng)改變設(shè)計來實現(xiàn)的全部磁阻效應(yīng)元件、磁頭、磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備，也都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁阻效應(yīng)元件，包括固定磁化層，其磁化方向?qū)嶋H上固定在一個方向上；自由磁化層，其磁化方向根據(jù)外部磁場發(fā)生變化；非磁性隔離層，其設(shè)置在所述固定磁化層和所述自由磁化層之間，并包括第一絕緣層，和貫穿第一絕緣層的第一電流通道；和插入層，其設(shè)置在所述自由磁化層背向所述非磁性隔離層的一側(cè)上，其中，所述第一絕緣層具有包含選自由Al(鋁)、Si(硅)、Mg(鎂)、Ta(鉭)和Zn(鋅)構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分，以及，所述插入層具有包含選自由Al(鋁)、Si(硅)、Mg(鎂)、Ta(鉭)和Zn(鋅)構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件，其中所述第一絕緣層具有第一應(yīng)力，所述插入層具有與第一應(yīng)力極性相同的第二應(yīng)力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件，其中所述插入層具有第二絕緣層，該第二絕緣層具有氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分，所述插入層還具有沿層的方向貫穿所述第二絕緣層的第二電流通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的磁阻效應(yīng)元件，其中所述第二電流通道具有包含選自由Cu(銅)、Au(金)、Ag(銀)構(gòu)成的組中的至少一種元素的金屬作為主要成分。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的磁阻效應(yīng)元件，其中所述第二電流通道的密度是從30％至60％，包括30％和60％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件，進一步包括金屬層，其設(shè)置在所述插入層和所述自由磁化層之間，并包括選自由Ru(釕)、Cu(銅)、Au(金)、Ag(銀)構(gòu)成的組中的至少一種元素。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件，其中所述插入層的膜厚為0.5至2.0nm。
8.包含根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件的磁頭。
9.包含根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件的磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備。
10.一種磁阻效應(yīng)元件，包括固定磁化層，其磁化方向?qū)嶋H上固定在一個方向上；自由磁化層，其磁化方向根據(jù)外部磁場發(fā)生變化；非磁性隔離層，其設(shè)置在所述固定磁化層和所述自由磁化層之間，并包括第一絕緣層，和貫穿第一絕緣層的第一電流通道；和插入層，其設(shè)置在所述自由磁化層背向所述非磁性隔離層的一側(cè)上，其中，所述第一絕緣層具有包含Ti(鈦)的氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分，以及，所述插入層具有包含Ti(鈦)的氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的磁阻效應(yīng)元件，其中所述插入層具有第二絕緣層，該第二絕緣層具有氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分，所述所述插入層還具有沿層的方向貫穿所述第二絕緣層的第二電流通道。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的磁阻效應(yīng)元件，進一步包括金屬層，其設(shè)置在所述插入層和所述自由磁化層之間，包括選自由Ru(釕)、Cu(銅)、Au(金)、Ag(銀)構(gòu)成的組中的至少一種元素。
13.包含根據(jù)權(quán)利要求10的磁阻效應(yīng)元件的磁頭。
14.包含根據(jù)權(quán)利要求10的磁阻效應(yīng)元件的磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備。
15.一種磁阻效應(yīng)元件，包括固定磁化層，其磁化方向?qū)嶋H上固定在一個方向上；自由磁化層，其磁化方向根據(jù)外部磁場發(fā)生變化；非磁性絕緣隔離層，其設(shè)置在所述固定磁化層和所述自由磁化層之間，電流限制層，其插入到所述自由磁化層中，包括第一絕緣層，和貫穿第一絕緣層的第一電流通道；和插入層，其設(shè)置在所述自由磁化層背向所述非磁性絕緣隔離層的一側(cè)上，其中，所述第一絕緣層具有包含選自由Al(鋁)、Si(硅)、Mg(鎂)、Ta(鉭)和Zn(鋅)構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分，以及，所述插入層具有包含選自由Al(鋁)、Si(硅)、Mg(鎂)、Ta(鉭)和Zn(鋅)構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的磁阻效應(yīng)元件，其中所述第一絕緣層具有第一應(yīng)力，所述插入層具有與第一應(yīng)力極性相同的第二應(yīng)力。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的磁阻效應(yīng)元件，其中所述插入層具有第二絕緣層，該第二絕緣層具有氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分，所述插入層還具有沿層的方向貫穿所述第二絕緣層的第二電流通道。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的磁阻效應(yīng)元件，其中所述第二電流通道具有包含選自由Cu(銅)、Au(金)、Ag(銀)構(gòu)成的組中的至少一種元素的金屬作為主要成分。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的磁阻效應(yīng)元件，其中所述第二電流通道的密度是從30％至60％，包括30％和60％。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的磁阻效應(yīng)元件，進一步包括金屬層，其設(shè)置在所述插入層和所述自由磁化層之間，包括選自由Ru(釕)、Cu(銅)、Au(金)、Ag(銀)構(gòu)成的組中的至少一種元素。
21.根據(jù)權(quán)利要求15的磁阻效應(yīng)元件，其中所述插入層的膜厚為0.5至2.0nm。
22.包含根據(jù)權(quán)利要求15的磁阻效應(yīng)元件的磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備。
23.一種磁阻效應(yīng)元件，包括固定磁化層，其磁化方向?qū)嶋H上固定在一個方向上；自由磁化層，其磁化方向根據(jù)外部磁場發(fā)生變化；非磁性絕緣隔離層，其設(shè)置在所述固定磁化層和所述自由磁化層之間，電流限制層，其插入到所述自由磁化層中，包括第一絕緣層，和貫穿第一絕緣層的第一電流通道；和插入層，其設(shè)置在所述自由磁化層背向所述非磁性絕緣隔離層的一側(cè)上，其中，所述第一絕緣層具有包含Ti(鈦)的氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分，以及，所述插入層具有包含Ti(鈦)的氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的磁阻效應(yīng)元件，其中所述插入層具有第二絕緣層，該第二絕緣層具有氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分，所述插入層還具有沿層的方向貫穿所述第二絕緣層的第二電流通道。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的磁阻效應(yīng)元件，其中所述第二電流通道具有包含選自由Cu(銅)、Au(金)、Ag(銀)構(gòu)成的組中的至少一種元素的金屬作為主要成分。
26.包含根據(jù)權(quán)利要求23的磁阻效應(yīng)元件的磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備。
全文摘要
一種磁阻效應(yīng)元件，包括固定磁化層；自由磁化層；其設(shè)置在所述固定磁化層和所述自由磁化層之間的非磁性隔離；和設(shè)置在所述自由磁化層背向所述非磁性中間層的一側(cè)上的插入層，其中，第一絕緣層具有包含選自由Al(鋁)、Si(硅)、Mg(鎂)、Ta(鉭)和Zn(鋅)構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分，以及，所述插入層具有包含選自由Al(鋁)、Si(硅)、Mg(鎂)、Ta(鉭)和Zn(鋅)構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作為主要成分。
文檔編號H01F10/26GK101026221SQ20071007883
公開日2007年8月29日 申請日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月16日
發(fā)明者藤慶彥, 福澤英明, 湯淺裕美, 巖崎仁志 申請人:株式會社東芝