磁阻效應元件的製作方法
2023-11-04 11:36:22
專利名稱：磁阻效應元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁阻效應元件。
通常，讀出在磁記錄載體記錄的信息，是採用如下方法，使具有線圈的重放用磁頭相對於記錄載體移動，檢出由此時產生的電磁感應而在線圈感應的電壓。另一方面，讀出信息之時，已知有使用磁阻元件(以下稱為MR元件)(參看1EE MAG-7，150(1971))採用MR元件的磁頭(以下稱為MR磁頭)是利用某種強磁性體的電阻隨外磁場強度而變化的現象。
近年來，小型、大容量化的磁記錄載體得以發展，由於讀出信息時重放用磁頭與磁記錄載體的相對速度降低，對即使相對速度較小也能取出大的輸出的MR磁頭的期待日益增高。
如上所述，磁阻效應是強磁性體的電阻因外磁場而變化的現象，作為高靈敏度磁傳感器(例如讀出磁記錄用磁頭)研究了其應用。
已知磁阻效應是強磁性體自身所具有的各向異性磁阻(AMR)，但是，其不能呈現大百分比的磁阻變化率。對此，通過非磁性導電體層，可以獲得磁阻變化率超過10％的磁阻效應(GMR)，其依賴於疊層的強磁性導電體層間的磁化方向，有希望作為高靈敏度磁傳感器，尤其是磁記錄的讀出頭。
作為這種GMR型的磁阻效應元件，有強磁性體層之間存在磁交換結合(例如金屬磁性人造晶格)和強磁性體層之間無實質的交換作用(例如旋球)等情況。
為了檢出讀出頭等的弱磁場，必須能由弱磁場得到大的磁阻變化，在要求磁阻變化率大的同時，也要求飽和磁場(通過施加磁場而使磁阻變化飽和的磁場)要小。因而在GMR式的磁阻效應元件中，要求構成疊層膜的強磁性體層軟磁性化。
為實現這種軟磁性化，以使用軟磁性材料為好，但是問題在於磁阻變化率因材料而降低，或者不能承受元件作成時的各種條件及元件工作時耐久性。
因此，例如NiFe合金(坡莫合金等)是矯頑力小的軟磁材料的代表，但與Co合金系列比居裡溫度低耐熱性差。另一方面，Co合金的矯頑力較大，軟磁特性成問題，飽和磁場變大。僅僅這樣來選擇強磁性導電體層的材料則難以滿足相反的特性。
其次，在感知MR頭的外磁場從而電阻產生變化的部分(以下稱為MR元件)中，可以使用Ni-Fe合金即所謂坡莫合金系。但是，雖然坡莫合金具有良好的軟磁特性，但磁阻變化率最大有3％，作為小型大容量化的磁記錄載體用的MR元件，其磁阻變化率不足。為此，作為MR元件材料期望有更高靈敏度的磁阻效應。
對於這種期望，按Fe/Cr或Co/Cu這樣，在某種條件下，交替地迭層強磁性金屬膜和非磁性金屬膜，已經證實相鄰的強磁性金屬膜之間反強磁性結合的多層膜，亦即人造晶格膜呈現出巨大的磁阻效應。如在人造晶格中呈現從最大超過100％的磁阻變化率已有報導(參見Phys.Rev.Lett.，Vol.61，2474(1988)、Phys.Rev.Lett.，Vol.64，2304(1990)等)。但是，由於人造晶格膜的飽和磁場高，所以一般不適用於MR元件。
另一方面，採用強磁性膜/非磁性膜/強磁性膜的層狀構造的多層膜，雖然不是強磁性膜反強磁性結合的情況，但也已有報導實現大的磁阻效應的例子。亦即，在夾持非磁性膜的兩層強磁性膜的其一，遭受交換偏磁導致固定磁化，其二的強磁性膜因外磁場(信號磁場)而產生磁化反向。由此，通過改變夾持非磁性膜而配置的兩層強磁性膜的磁化方向的相對角度，可獲得大的磁阻效應。此類多層膜稱為旋球膜(參見Phys.Rev.B.，Vol.45，806(1992)、J.Appl.Phys.，Vol.69，4774(1991)等)。旋球(スピンバルプ)膜的磁阻變化率，雖然與人造晶格膜相比要小，但由於可以在弱磁場下使磁化飽和，所以適用於MR元件。對於採用這種旋球膜的MR磁頭，可以寄予較大的實用期望。
可是，在使用上述強磁性膜之間不是以反強磁性結合的旋球膜的MR元件中，特別是提高因外磁場而發生磁化反向的強磁性膜的軟磁特性，成為提高元件靈敏度的必要條件。但是，產生大的MR變化量的材料未必呈現良好的軟磁特性，使此兩種特性兼容成為重要的課題。
例如，採用Co膜或Co系磁性合金作為強磁性膜的旋球膜，特別是採用結晶Co膜或Co系磁性合金的旋球膜，雖然可呈現良好的MR變化量，但是其軟磁性化困難，這是公知的。一般，Co或Co系磁性合金中，產生磁各向異性的離散，難磁化方向的磁滯回線中也產生了高的矯頑力Hc。因此，如果在傳感器中採用具有使用Co或Co系合金的旋球膜的MR元件，則產生巴克好森噪聲，存在S/N降低，不能供實用的問題。
特別是，在旋球膜中，夾持非磁性膜而配置的兩層強磁性膜的磁化方向，在零磁場中相互大致正交，但為了作為傳感器件使用，必須為此所必需的退火處理。但是，如果進行這種退火處理，Co或Co系磁性合金中的磁各向異性的離散則變得更大，則存在巴克好森噪聲產生、S/N降低，不能供實用的問題。
這樣，對於採用旋球膜的MR元件，在呈現大MR變化量的旋球膜中再現性良好地實現良好的軟磁特性，抑制磁各向異性的離散，降低難磁化軸方向的矯頑力Hc已成為課題。因此，強烈地期望通過降低難磁化軸方向的矯頑力Hc，來抑制作為傳感器件使用時的巴克好森噪聲。
本發明的第一目的在於提供一種阻效應元件，即使強磁性導電體層採用矯頑力高的材料之時，也能降低飽和磁場。
本發明的第二目的在於提供一種採用旋球膜的磁阻效應元件，可以再現性良好地獲得大MR變化量和良好的軟磁特性。
本發明的第一磁阻效應元件，包括層疊體，具有第一強磁性導電體層，在此第一強磁性導電體層上層疊的非磁性導電體層和在此非磁性導電體層上層疊的第二強磁性導電體層；在此層疊體上形成的一對電極，其特徵在於，所述第一強磁性導電體層和第二強磁性導電體層中的一方，具有易磁化軸方向不同的第一和第二磁磁性層。
所述第一磁阻效率元件中，由易磁化軸方向不同的多層強磁性膜構成的強磁性導電體層，在強磁性膜之間產生直接交換結合，作為強磁性導電體全體，進行整體的磁化。其中，由於存在易磁化軸方向不同的強磁性膜，所以各向異性能相互抵消，作為整體可以實現低的飽和磁場。此相互抵消的效果，在易磁化軸大致正交時最能充分地體現。亦即，第一磁致電阻效應元件的特徵在於第一強磁性層與第二強磁性層的易磁化軸大致正交。
進一步，第一磁阻效應元件的特徵在於，第一強磁性層由Co或者Co合金構成，所述第一強磁性層與非磁性導電體層接觸地配置。
本發明的第二磁阻效應元件，是旋球膜磁阻效應元件，在膜面內方向具有單軸磁各向異性的強磁性導電體層所構成的、在測量磁場的作用下磁化方向旋轉的自由層，和在膜面內方向具有單軸磁各向異性的強磁性導電體層所構成的、在測量磁場的作用下磁化方向不旋轉的轉接(ピン)層，是由其間夾有非磁性導電體層的層疊體構成，利用取決於所述自由層和轉接(ピン)層的磁化方向之間的角度的所述層疊的電阻變化檢出測量磁場；其特徵在於，所述自由層包含易磁化軸互不相同的第一和第二強磁性層，所述自由層整體保持在預定方向的單軸磁各向異性。
所述第二磁阻效應元件，其特徵在於，第一強磁性層與第二強磁性層的易磁化軸方向大致正交。
第三磁阻效應元件，包括層疊體，具有在膜面內方向具有單軸磁各向異性的第一強磁性導電體層，在此第一強磁性導電體層的第一主面上層疊的非磁性導電體層，在此非磁性導電體層上層疊的、在面內方向具有單軸磁各向異性的第二強磁性導電體層，在所述第一強磁性導電體層的第二主面上層疊的、由強反磁性體構成的磁化固定膜；和在此層疊體上形成的一對電極；其特徵在於，所述第二強磁性導電體層，含有易磁化軸方向不同的第一和第二強磁性層，所述第二強磁性導電體層整體保持在預定方向的單軸磁各向異性。
所述第三磁阻效應元件，其特徵在於，第一強磁性層與第二強磁性層的易磁化軸方向大致正交，所述第一強磁性層和第二強磁性層中之一的易磁化軸方向與所述第一強磁性導電體層的易磁化軸方向大致平行。
所速第三磁阻效應元件，最好是第二強磁性導電體層中，與外磁場相對磁化可旋轉的程度較強，在與第一強磁性導電體層的磁化正交的方向上施加偏磁場。
所述第一、第二、第三磁阻效應元件，亦即如下的磁阻效應元件的製造方法，該元件由在第一強磁性導電體層上層疊的非磁性導電體層和在此非磁性導電層上層疊的第二強磁性導電層構成的、呈現磁阻效應的層疊體組成，所述第一和第二強磁性導電層中至少之一含有易磁化軸方向不同的第一和第二強磁性膜，包括如下熱處理工序，對所述層疊體加熱至第一溫度，在第一方向施加磁場，保持預定時間；在施加磁場的情形下冷卻至第二溫度；在變為第二溫度的時刻把磁場旋轉至第二方向；如此冷卻至室溫；由此熱處理使第一和第二強磁性膜具有不同的易磁化軸方向。
而且上述製造方法中，最好使第二磁場方向從第一磁場方向旋轉大約90度，如此進行正交化熱處理。
而且在所述製造方法中，最好在第一和第二強磁性膜的各向異性磁場總量為10Oe以下的條件下進行熱處理。
如上所述，所述第一至第三磁阻效應元件，由易磁化軸方向不同的多層強磁性膜構成的強磁性導電體層，在該磁性膜之間產生直接交換結合，作為強磁性導電體層整體，進行一體化的磁化。其中，由於存在易磁化軸方向不同的強磁性膜，所以各向異性能相互抵消，作為整體可以實現低的飽和磁場。此相互抵消的效果，在易磁化軸大致正交時最能充分地體現。
以下結合附圖做更具體的說明。
如
圖1A所示，在基片1上形成自由層2、非磁性導電層3和轉接層4。此轉接層的磁化例如由FeMn這樣的強反磁性膜(圖中未示出)來固定。在此層疊膜上設置一對電極(圖中未示出)。
自由層2由第一和第二強磁性膜2-1、2-2構成。例如與非磁性導電層3接觸的一側是第一強磁性膜2-1。
旋球式的磁致電阻效應元件中，由於轉接層4的磁化被固定，所以對其軟磁特性無特別要求。僅對自由層2有軟磁特性要求。因此，如果僅提高自由層2的軟磁特性，如此實現多層化、競爭磁化狀態則較好。但是，不言而喻，如果需要也可以使轉接層多層化。
對於GMR式的情況，非磁性層與磁性層的界面受到較大的磁致電阻效應的影響。因此採用電阻變化率大、耐熱性優異的Co或Co合金時，如果使與非磁性導電層3接觸的一側(第一強磁性膜2-1)成為Co或者Co合金這樣地構成自由層2中的層結構則為好。
例如由Co或Co合金層構成轉接層，把由Co或Co合金構成自由層的第一磁性膜2-1和由坡莫合金等構成的第二強磁性膜2-2層疊，可以實現此第一和第二強磁性膜的易磁化方向例如正交。
通過在磁場中的熱處理可以實現這種競爭的磁化狀態。
由不同材料構成第一和第二強磁性膜並層疊。從高溫冷卻這些層疊膜的過程中改變所加磁場的方向，例如90度。外加磁場的方向改變時的溫度取決於膜構成(隨第一和第二強磁性膜的組合，層疊狀態等諸條件而不同)。
設定適合的溫度，例如可使易磁化軸取第一強磁性膜初期的磁場方向、第二強磁性膜後半期的磁場方向。
但是，從膜整體來看，由支配各向異性的膜的易磁化軸方向引入單軸磁各向異性。例如，整體的各向異性受磁化大小與膜厚與各向異性磁場的積的大小支配。
如果由第二強磁性膜的磁化支配第一和第二強磁性膜的層疊膜的磁化，則第二強磁性膜的易軸方向成為層疊膜的單軸磁各向異性。因此，在無磁場狀態，第一強磁性膜的磁化取第二強磁性膜的易軸方向。
該狀態如圖1B所示。例如轉接層4的易軸方向與第一強磁性膜2-1的易軸方向一致，第二強磁性膜2-2的易軸方向與其正交。由第二強磁性膜2-2支配了自由層2整體的各向異性方向，結果引入了自由層2和轉接層4正交的各向異性。
旋球式中，多採用強反磁性膜來進行轉接層的磁化固定。這時的構成例如圖2所示。
亦即，是這樣一種磁致電阻效應元件，在基片21上具有層疊體和在此層疊體上形成的一對電極26，該層疊體包括在膜面內方向具有單軸磁各向異性的第一強磁性導電體層(轉接層24)，在第一強磁性導電層上層疊的非磁性導電層23，在此非磁性導電層上層疊的在膜面內方向具有單軸磁各向異性的第二強磁性體導電層(自由層22)和在所述第一強磁性導電體層上層疊的由強反磁性膜構成的磁化固定膜25；其特徵在於，所述第二強磁性體導電層包含易磁化軸方向不同的第一和第二強磁性膜22-1、22-2，前述第二強磁性體導電層做為整體保持在預定方向的單軸磁各向異性。
此第二強磁性體導電層引入與圖1B所示相同的各向異性。此時，紙面平行面是與載體對置的面。
如圖2所示構成中，在自由層22上，為了施加偏置磁場，與自由層接觸地形成CoPt合金層這樣的硬質磁性層27。硬質磁性層雖然不是必須的，但有利於為了消除巴克好森噪聲而在自由層上施加偏磁場。此方向與自由層的單軸磁各向異性的方向平行。
按此構成在層疊膜上設置電極26，但也可在基片21與層疊膜之間、或者硬質磁性層27與層疊膜之間設置。
而且由於一般的強反磁性膜的耐腐蝕性較差，也可在強反磁性膜25上形成保護膜。
通常自由層的單軸磁各向異性與載體面平行地設置，而且釘軋層的單軸磁各向異性與載體面垂直地設置。因此，在所述磁場中熱處理時，如果初始外加磁場在轉接層的單軸磁各向異性方向，而後期的外加磁場在自由層的單軸磁各向異性的方向則較好。例如，使構成自由層的第一磁性膜的易磁化軸的方向和轉接層的易磁化軸方向相同，構成自由層的第二磁性膜的易磁化軸的方向與它們正交。
由於與非磁性導電膜接觸的第一強磁性膜對磁阻效應有大的作用，滿足本發明的條件疊加第二強磁性膜，可使由第一強磁性膜單獨難以相容的特性得以相容。
不言而喻，本發明的第一和第二強磁性導電層中至少之一包含多層磁性膜為好，也可以含兩層以上的強磁性膜。
這裡，由兩種磁性膜的層疊膜構成自由層，各磁性層的活性化能量是ε1、ε2(eV)，按在磁場中進行成膜或者在活性化能量比較充分的高溫進行長時間退火等方法，對帶有在單方向離散小的單軸磁各向異性的情況予以說明。
一般在賦予感應磁各向異性的磁性膜中，一邊在與易軸正交的方向施加磁場，一邊在溫度Ta下進行退火時，各向異性磁場按下式變化Hk＝2Hk0(exp{-Aexp(-βε)t}-0.5)這裡，Hk0是退火無限長時間時的各向異性磁場，A是由實驗求得的常數，t是熱處理時間，而且，β＝1/(kB·Ta)kB代表玻耳茲曼常數，Ta代表退火溫度。
這裡，由CoNbZr膜的實驗求得的值A是11.6。採用此值，計算Hk對活性化能量ε和退火溫度Ta的依賴性，結果如圖5所示。退火時間為1000秒。
由圖3可知，即使在同一溫度進行正交化熱處理，如果活性化能量不同，則最終的Hk值也不同。而且對於某一活性化能量，適當地選擇退火溫度，則可使Hk大致在零附近。
但是在單一膜進行退火時，由於發生了各向異性離散，即使Hk小，矯頑力Hc也較大，存在出現巴克好森噪聲的問題。
另一方面，由兩種磁性層的層疊膜構成自由層，活性化能量ε不同時，如果在某一溫度Ta進行正交化退火，則各向異性磁場的值在各層不同。
這裡，考慮採用ε1＝0.42(eV)、ε2＝0.52(eV)的磁性材料製做兩層磁性層疊膜的情況，而且設定膜厚，使兩層的Ms·d之積(Ms是飽和磁化強度，d是膜厚)為1∶1。
於是，在200℃進行正交化熱處理之時，層1的Hk為8(Oe)、層2的Hk為20(Oe)，總Hk平均值14(Oe)。
與此相反，在270℃熱處理時，各值為-10(Oe)、14(Oe)，作為平均值可達到較小的值2(Oe)。
而且從各層來看具有相當大的各向異性，形成各向異性離散小的膜。
進而如果在300℃進行正交化熱處理，層1的Hk為10(Oe)、層2的Hk為0(Oe)，平均值的Hk為-8(Oe)。此時，作為整體，各向異性旋轉了90度，由於層2的Hk下降過大，所以引起各向異性離散，整體產生了矯頑力，產生了這些問題。因此，這種情況下，在270℃的正交化熱處理溫度是最適合的。
由具有正交的易軸(第一方向、第二方向)的多層強磁性膜構成強磁性導電層時，Hk(總量)＝[∑1(Ms·t·Hk)-∑2(Ms·t·Hk)]/∑1，2(Ms·t)式中，Ms各一層的飽和磁通密度
t各一層的層膜厚Hk各一層的各向異性磁場∑1對具有第一方向的易軸的強磁性層的求和∑2對具有第二方向的易軸的強磁性層的求和∑1，2對強磁性層全體的求和。上式所示的Hk(總量)的值的絕對值小的一方其軟磁特性優異。實用上此值在10(Oe)以下為好。因此，應選擇滿足此關係的溫度。
作為本發明採用的強磁性導電體，可例舉Fe、Co、Ni及其合金。特別是採用Co或Co合金的時候，可獲得耐熱性、高電阻變化率的提高的效果。例如，可舉例Fe含量為5-40原子％程度的富含Co的CoFe合金。無是否添加Pt等添加元素均可。膜厚在5 nm至20 nm程度。
作為與非磁性導電層接觸的一側的磁性膜採用Co合金，通過與其它磁性膜的層疊，可在整體上實現軟磁性化，這樣可以最大限度地產生高耐熱性1向非磁性導電層的擴散降低)和高電阻變化率的特徵。
而且作為非磁性導電體，可列舉Cu、Au、Ag等。相同的膜厚在5 nm至20 nm程度。
進而，作為強反磁性體，可使用FeMn，NiO、IrMn等。
本發明第四磁阻效應元件，具有旋球膜，包括由含Co的強磁性體膜和軟磁性膜的層疊膜構成的第一磁性層，第二磁性層，在所述第一磁性層與第二磁性層之間配置的非磁性中間層；其特徵在於，所述軟磁性膜由一種軟磁性材料膜或者二種以上軟磁性材料膜組成的軟磁性材料層疊膜構成，所述軟磁性材料膜或者軟磁性材料層疊膜的磁化強度為Ms(T)、膜厚為d(nm)、各向異性磁場為Hk(Oe)時，滿足∑(Ms×d×Hk)＞30(TnmOe)。這裡，∑(Ms×d×Hk)值表示各軟磁性材料膜的(Ms×d×Hk)值的總和。
本發明的磁阻效應元件，在與含Co的強磁性體膜接觸形成的軟磁性層中，採用∑(Ms×d×Hk)值超過30(TnmOe)的軟磁性材料膜或者軟磁材料層疊膜。這裡，所述軟磁層的∑(Ms×d×Hk)值，代表對含Co的強磁性體膜的各向異性離散的抑制x。通過使用這種∑(Ms×d×Hk)值超過30(TnmOe)的軟磁膜，可以再現性良好地抑制含Co強磁性體層的各向異性離散。由此，可以使含Co強磁性體膜的難軸方向的矯頑力Hc降低至例如1Oe以下。亦即，可以期望提高含Co強磁性體膜的軟磁特性。
本發明第四磁阻效應元件的製造方法，該元件具有旋球膜，包括由含Co強磁性膜和軟磁膜的層疊膜構成的第一磁性層，所述第二磁性層，在所述第一磁性層與第二磁性層之間配置的非磁性中間層；包括如下步驟在基片上形成軟磁膜；在此軟磁膜上層疊含有Co的強磁性膜；形成第一磁性層；在此第一磁性層上形成非磁性中間層以及由含有Co的強磁性體構成的第二磁性層；再層疊該反磁性層，形成旋球膜；進行正交退火，從而製成旋球磁阻效應元件。
以下，說明本發明的第四磁阻效應元件。
圖4是展示本發明一種實施方式的磁阻效應元件(MR元件)的主要結構的剖面圖。該圖中，51是基片，52是第一磁性層，54是第二磁性層，在第一和第二磁性層52、54之間夾置非磁性中間層53。這些磁性層52、54之間不是強反磁性結合，而是構成非結合型的層疊膜。
這些磁性層52、54之中，第一磁性層52由含Co強磁性體組成的強磁性體層52-1、除此之外的軟磁材料組成的軟磁層52-2的層疊膜構成。其中，強磁性體層52-1提供磁阻效應，軟磁層52-2如下所述，是用於提高強磁性體層52-1的軟磁特性的層。軟磁層52-2既可以由一種軟磁材料的軟磁材料膜構成，也可以由兩種以上的軟磁材料膜的軟磁材料層疊膜構成。
由強磁性體層52-1和軟磁層52-2的層疊膜構成的第一磁性層52，是按強磁性體層52-1與非磁性中間層53接觸的方式配置的。而且，並不限於這種配置，但為了獲得大的MR變化量，按上述配置則可有希望。而且，在強磁性體層52-1和軟磁層52-2之間直接磁交換結合，可期望在膜厚方向成為一體磁化。
此第一磁性層52是在信號磁場等外磁場作用下磁化反轉的磁性層，即自由磁性層。而且，雖然強磁性層52-1的MR變化量良好，但在軟磁性化困難的結晶質的情形，特別能發揮本發明的效果。
對於所述第一磁性層52中的強磁性體層52-1，可以使用Co單體或者Co系磁性合金，可以同時增強在MR變化量上施加影響的整體效果和界面效果，以使用因此可獲得大MR變化量的Co系磁性合金為好。作為這種Co系合金，可例舉在Co中添加Fe、Ni、Au、Ag、Cu、Pd、Pt、Ir、Rh、Ru、Os、Hf等一種或兩種以上的合金。添加元素量以5-50原子％為好，8-20原子％的範圍更好。如果這些添加元素量過少，則不能充分地增加整體效果，相反如果添加元素量過多，則存在界面效果大幅度下降的危險。從獲得大的MR變化量來看，具體地添加元素使用Fe為好。而且，從熱穩定性的觀點考慮，強磁性體層52-1和軟磁層52-2的膜厚在1nm以上為好。如果強磁性體層52-1的膜厚過厚，則會導致以下問題，(1)減少了MR變化率，(2)容易因反磁場而產生巴克好森噪聲，(3)降低了由軟磁層52-2所得的抑制各向異性離散的效果，因此在10nm以下為好。在5nm以下更好。而且，關於軟磁層5的膜厚以下詳述。
另一方面，第二磁性層54，是由與第一磁性層52中的強磁性體層4同樣的Co單體或Co系磁性合金構成的強磁性體層，因為與第一磁性層52相同的理由，以使用Co系磁性合金為好。第二磁性層54，被在其上形成的IrMn膜、FeMn膜、NiO膜等構成的強反磁性層56、或者由CoPt膜等構成的硬磁層施以偏置磁場而固定磁化。此第二磁性層54即所謂的轉接磁性層。
第二磁性層54的膜厚以能獲得大MR變化量的1-10nm的範圍為好。作為轉接層的第二磁性層54，並不限於上述那樣由強反磁性層56等使強磁性體層的磁化固定，例如也可直接使用硬磁性層等。
這樣，第一磁性層52和第二磁性層54的磁化方向，為了提高MR元件的線性響應性，在外磁場為零的狀態下，例如相互正交為好。例如通過實施以下所示的退火處理，可以獲得這種磁化狀態。亦即，(1)一邊施加1KOe程度的磁場，一邊在250℃程度的溫度保持一小時，之後，(2)仍舊在1kOe程度的磁場中冷卻至210℃的溫度，(3)在210℃的溫度下，但使磁場施加方向旋轉90°冷卻至室溫。通過這種退火處理(以下稱為正交退火)，可以穩定地獲得正交的磁化狀態。
具體的磁化方向以如下為好，第一磁性層52的磁化方向為磁軌寬度方向，第二磁性層54的磁化方向為與第一磁性層52的磁化方向正交的載體對置面相垂直的方向。
在第一和第二磁性層52、54之間配置的上述非磁性中間層53，由順磁性材料、反磁性材料、強反磁性材料、自旋玻璃等構成。具體可例舉Cu、Au、Ag，或者含這些元素和磁性元件的順磁性合金，Pd、Pt以及以這些元素為主成分的合金。
這裡，非磁性中間層5 3的膜厚取2-5 nm為好。非磁性中間層53的膜厚如果超過2 nm，則不能得到充分的磁阻變化靈敏度，而如果不是5 nm，則難以使磁性層52、54之間的交換結合充分地小。
由上述各層構成旋球層疊膜57，在具備這種旋球層疊膜57的MR元件中，與第二磁性層54被固定磁化相反，第一磁性層52由於在外磁場作用下反向磁化，所以層夾配置了非磁性中間層53的兩層磁性層52、54的磁化方向的相對角度發生變化，獲得了磁致電阻效應。這時，由於使用含Co強磁性體、特別是Co系磁性合金，作為主要構成第一磁性層52和第二磁性層54的強磁性體層，所以可獲得大MR變化量。
這裡，雖然Co或Co系磁性合金可帶來大的MR變化量，但它們單獨則難以實現良好的軟磁特性，一般會產生磁各向異性的離散，難軸方向的矯頑力Hc保持較大的值。這種各向異性離散，是由結晶各向異性的離散產生的，或者是由感應磁各向異性的離散產生的。特別是，對旋球膜進行特有的上述正交退火，容易使各向異性的離散變大，而且在Co系磁性合金中，Co量越多各向異性離散的程度就越大。
因此，本發明中，由強磁性體層52-1和軟磁性層52-2的層疊膜構成在外磁場作用下反向磁化的第一磁性層52，同時軟磁層52-2的磁化強度為Ms(T)、膜厚為d(nm)、各向異性磁場為Hk(Oe)時，設定軟磁層52-2的材質和膜厚等，使∑(Ms×d×Hk)的值在30(TnmOe)以上。這裡，∑(Ms×d×Hk)值，是由一種軟磁材料膜構成軟磁層52-2時的(Ms×d×Hk)值，由二種以上的軟磁材料膜的層疊膜構成軟磁層52-2時，對各軟磁材料膜的(Ms×d×Hk)值求和。
亦即，在含Co的強磁性體層52-1和軟磁層52-2的層疊膜中，對在難軸方向的磁滯回線中的矯頑力Hc與軟磁層52-2的磁特性的關係做了詳細調查，結果，在軟磁材料膜的磁化強度Ms(T)、膜厚d(nm)及各向異性磁場Hk(Oe)乘積值((Ms×d×Hk)值)的總和(∑(Ms×d×Hk)值)與所述矯頑力Hc之間存在明確的關係，可以看出，∑(Ms×d×Hk)值超過30(TnmOe)時，可以再現性良好地降低困難軸方向的矯頑力Hc。
圖5展示了改變軟磁層52-2的構成、∑(Ms×d×Hk)值變化時難軸方向的矯頑力Hc的變化的調查結果。如圖5可看出那樣，難軸方向的矯頑力Hc呈現與∑(Ms×d×Hk)值成反比例的依賴性，隨著∑(Ms×d×Hk)值的增大而減小。這是因為含Co強磁性體層52-1的各向異性離散被軟磁層52-2的單軸磁各向異性所抑制。亦即，∑(Ms×d×Hk)值代表了對含Co強磁性體層52-1的各向異性離散的抑制力，採用此值超過30(TnmOe)的軟磁層52-2，可把困難軸方向的矯頑力Hc降低至例如10Oe以下。
這樣，通過把作為自由磁性層的第一磁性層52的困難軸方向的矯頑力Hc降至10Oe以下，使用具有旋球層疊膜57的MR元件作為磁頭等的傳感器件時，可以穩定地抑制巴克好森噪聲的產生。因此，獲得具有良好的S/N比的傳感器件。所述∑(Ms×d×Hk)值，從實現穩定及低矯頑力Hc來看，以∑(Ms×d×Hc)＞50(TnmOe)為好，為了實現更低的矯頑力例如Hc＜0.5Oe，∑(Ms×d×Hk)＞80(TnmOe)以上最好。
軟磁層52-2的具體構成，除了滿足所述的∑(Ms×d×Hk)＞30(TnmOe)，並無特別限制，但是為了抑制強磁性體層52-1的各向異性離散，具有良好的單軸磁各向異性，同時軟磁層52-2本身的穩定化，以至少具有一層各向異性磁場Hk在5Oe以上的軟磁材料膜為好。
作為具體的軟磁層52-2的構成材料，可例舉如下，NiFe合金，NiFeCo合金，在這些fcc結晶結構的軟磁合金中添加Ti、V、Cr、Mn、Zn、Nb、Mo、Tc、Hf、Ta、W、Re等添加元素的高電阻化合金，在Co中添加同樣的添加元素的非晶合金，例如CoNbZr非晶合金。
上述軟磁材料中，NiFe合金和NiFeCo合金等具有fcc結晶結構，雖然提高含Co強磁性體層4的結晶性有助於提高軟磁特性，但由於各向異性磁場Hk不足5Oe，最好利用與CoNbZr非晶合金等的層疊膜。而且，作為其它好的方式，可列舉以單體方式使用各向異性磁場Hk在5Oe以上的組成的NiFeCo合金膜。
在此實施方式的MR元件中，作為第一磁性層52的強磁性層52-1，採用含Co的強磁性體，因而獲得大的MR變化量，就此而言，由於作為與∑(Ms×d×Hk)＞30(TnmOe)的軟磁層52-2的層疊膜，利用含Co強磁性體層52-1，所以獲得了抑制含Co強磁性體層52-1的磁各向異性的離散、良好的軟磁特性。這樣，按上述實施例方式的MR元件的旋球層疊膜57，大MR變化量和良好的軟磁特性並存，因而元件靈敏度優異，同時作為傳感器件使用時，可抑制在巴克好森噪聲的產生，獲得良好的S/N比。亦即，可以大幅度地提高使用旋球膜的MR元件的實用性。
以上的本發明第一至第四磁阻效應元件作為磁記錄的讀出磁頭使用時，如果考慮例如屏蔽式構成，可以如圖6所示構造。
在基片31上形成由強磁性體構成的下部屏蔽層32，通過由絕緣體構成的下部間隙層33，形成由自由層/非磁性導電層/釘軋層/磁化固定層的層疊膜構成的MR膜34。
由硬質磁性層35對MR膜施以偏置磁場。通過硬質磁性層35，或者直接在MR膜34上形成電極36，通過由覆蓋上述部分的絕緣體構成的上部磁隙層37，形成由強磁性體構成的上部磁屏蔽層38。
作為絕緣體，可以用氧化鋁等製造，作為強磁性體，可以使用坡莫合金，CoZrNb等非晶磁性合金。
按此構成，在上下磁屏蔽層之間進入載體磁場，應由MR膜檢出。
上述構成中，在基片埋置電極，硬質磁性膜等，可在MR層疊膜的部分平坦化。而且可以上下顛倒，在基片側配置強反磁性膜。
構成記錄重放一體型磁頭時，例如上部磁頭兼用寫入磁極，若在此磁極上形成薄膜線圈則較好。
而且，可以形成由磁軛吸收載體磁場，由MR膜檢出的構成(參照圖7A)。例如，在設有載體側突出的部分(41-1)的磁軛41上形成MR部42，由MR部檢出從此磁軛部分導入的載體磁場，如此構成。在上下磁頭(圖中未示出)之間配置這種構成，由此構成磁頭。
圖7A所示構成在圖的上下方向移動。
再如圖7B所示，在基片401上通過磁隙402，配置對置的一對磁軛403-1、403-2，在此一對磁軛之間配置MR部404，可以按在圖的左右方向移動載體來構成。
無論哪種情況，由於MR部分從載體面後退，所以具有優良的耐腐蝕性，耐磨損性。
而且在記錄重放一體型的磁頭情況下，可以層疊感應式寫入磁頭。
另外不限於磁頭的磁場傳感的應用，或者不是傳感器而是作為記錄元件(即MRAM)使用。例如可以是由旋球構造，以自由層的磁化方向記錄「1」、「0」，根據依賴於與轉接層之間的磁化方向的電阻的差異，讀出信息。
另外，本發明可以應用於採用由磁自旋依賴散亂而引起的磁阻效應的元件是不言而喻的。
圖1A是本發明的磁阻效應元件的示意圖，圖1B是說明各層磁化方向的示意圖。
圖2是本發明的旋球式磁阻效應元件的剖面示意圖。
圖3是說明本發明的特性圖(磁性膜的活性化能量—退火溫度—各向異性磁場的關係說明圖)。
圖4是本發明其它磁阻效應元件的一種實施方式的主要構造的剖面示意圖。
圖5是第一磁性層的困難軸方向的矯頑力Hc與軟磁層的∑(Ms×d×Hk)值的關係示意圖。
圖6是採用本發明的磁阻效應元件的磁記錄讀出頭的一個實例的剖面示意圖。
圖7A和7B是採用本發明的磁阻效應元件的記錄重放一體型磁頭的實例示意圖。
以下，說明本發明的具體實施例。
實施例1在表面具有熱氧化膜的Si基片上，從基片側依次層疊下列膜，形成所謂的旋球式的磁阻效應元件Co90Zr6Nb4非晶磁性膜100Ni80Fe20膜20
Co90Fe10膜40Cu膜30Co90Fe10膜40FeMn膜150這裡，轉接層是CoFe膜單層，自由層是由CoZrNb膜和NiFe膜這兩層構成的第二磁性層，由CoFe層構成第一磁性層，由此形成複合層疊膜。
而且，在FeMn膜上層疊作為保護層的50A Ti膜。
按以下條件對此層疊膜進行退火。
(1)在250℃，在單方向a施加1KOe的磁場保持一小時，在施加磁場的條件下冷卻至室溫。
(2)在250℃，在單方向a施加1KOe的磁場保持一小時，在施加磁場的條件下冷卻至200℃，在到達200℃的時刻使磁場旋轉90度(方向b)，原樣冷卻。
(3)在250℃，在單方向a施加1KOe的磁場保持一小時，在施加磁場的條件下冷卻至150℃，在到達150℃的時刻使磁場旋轉90度(方向b)，原樣冷卻。
對以上3例用VSM測量自由層的各向異性磁場，結果如表1所示。
為了參考，把單獨形成各磁性膜時的Hk一起示出。而且，由施加磁場方向展示各磁性膜的易軸方向。
表1自由層 轉接層Hk(Oe) CoZrNbNiFeCoFeCoFe(1)11 7(a) 3(a)13(a) 300(a)(2)3 7(a) 3(a)11(b) 300(b)(3)11 7(a) 3(a)13(a) 300(b)無論哪種情況，作為自由層整體，賦予方向a的單軸磁各向異性。
(1)的情況，由於自由層中全部膜有各向異性是a方向，所以作為自由層整體，各向異性磁場為單純的平均(考慮膜厚、磁化強度)，成為11Oe這樣大的值。
(2)的情況，轉接層的各向異性與FeMn層共同為b方向，而自由層中與(1)相同的a方向，各向異性磁場同樣成為11Oe這樣大的值。
與此相反，(2)的情況，感應磁各向異性的方向易變動，自由層中的CoFe膜的易軸方向，取在與CoZrNb膜、NiFe膜正交方向，呈現CoFe膜單層未呈現的低各向異性磁場3Oe。
實際上在(2)的膜構成中，當作為磁致電阻效應元件進行磁場測量時，可以獲得超過10％的磁阻變化率，超過200℃的耐熱性得以確認。
而且，由上述計算的Hk(總量)值，與測量值Hk大致相同，僅有(2)的情況Hk(總量)值滿足10以下的條件。
比較磁阻效應時，(2)的情況的靈敏度是1.6％/Oe，與此相對，(1)是0.45％/Oe，(3)是0.45％/Oe，確認(2)的高靈敏度。
若根據本發明，則可達到原本Co合金不能實現的軟磁性化，可以獲得既能形成Co合金的高耐熱性、高電阻變化率，又能在弱磁場下獲得大磁阻變化的磁阻效應元件。
而且，使用Co合金之外的合金也能獲得同樣的效果。
作為基片，除Si之外，可以採用例如氧化鋁基片，根據需要施加氧化鋁膜的AlTiC基片。
如上所述，採用Co合金這種高矯頑力材料時也可以實現良好的軟磁特性，可以獲得即使採用高矯頑力材料也能在弱磁場下得到大電阻變化的磁阻效應元件。
實施例2在熱氧化Si基片上，通過濺射法，首先依次形成非晶CoNbZr合金膜和NiFe合金膜作為軟磁層5。這裡，改變非晶CoNbZr合金膜的膜厚，製備非晶CoNbZr合金膜的膜厚為3nm、5nm、7nm、10nm 4種試樣。而且，NiFe合金膜的膜厚定為2nm。
然後，在由此軟磁材料層疊膜構成的軟磁層5上，依次層疊膜厚3nm的Co90Fe10合金膜作為強磁性體層4、膜厚3nm的Cu膜作為非磁性中間層、膜厚3nm的Co90Fe10合金膜作為第二磁性層2、膜厚10nm的IrMn合金膜作為強反磁性層6、膜厚5nm的Ta膜作為保護層，形成旋球層疊膜7。
上述旋球層疊膜7中，通過由非晶CoNbZr合金膜和NiFe合金膜的層疊模構成的軟磁層5，抑制作為與其相鄰的強磁性體層4的Co90Fe10合金膜的各向異性離散，而且作為與InMn強反磁性層6相鄰的第二磁性層2的Co90Fe10合金膜賦予單方向磁各向異性。
之後，在上述旋球層疊膜7上進行布圖，為了進一步提高對應於外磁場的線性響應特性，使作為轉接磁性層2的Co90Fe10合金膜的單方向各向異性的方向，與自由磁性層1中的Co90Fe10合金膜的單軸各向異性的方向成90°正交，這樣施以所述的正交退火，獲得MR元件。
如上所述，測量作為改變非晶CoNbZr合金膜的膜厚所得各MR元件的元件整體的難軸方向的矯頑力Hc。各MR元件的非晶CoNbZr合金膜與NiFe合金膜的層疊膜的∑(Ms×d×Hk)值，與作為MR元件整體的困難軸方向的矯頑力Hc的關係如表2所示。
表2試樣 CoNbZr合∑(Ms×d×Hk)值 困難軸方向的矯頑力金膜的膜厚(nm)(TnmOe) He(Oe)1311.22.62533.60.93764.50.64 10 102 0.2如表2可見，∑(Ms×d×Hk)值隨著非晶CoNbZr合金膜的膜厚的增大而變化，伴隨此矯頑力Hc降低。因此，∑(Ms×d×Hk)值在30(TnmOe)以下的第1號試樣，亦即具有本發明範圍之外的旋球膜的試樣(比較例)，矯頑力Hc超過1Oe，與此相反，∑(Ms×d×Hk)值超過30(TnmOe)的第2至4號試樣，亦即具有本發明的旋球膜的試樣(實施例)，矯頑力Hc在1Oe以下，如表中可見。這樣，通過使∑(Ms×d×Hk)＞30(TnmOe)，可以獲得良好的軟磁特性。而且，調查上述各試樣的MR變化率時，無論哪個均呈現7％以上的大值。
另外，採用上述各試樣的MR元件，製做同一構造的MR磁頭。在直徑為3時的AlTiC基片上製備磁頭，用一塊基片可獲得800個磁頭。把製備的磁頭組裝在實際的磁碟驅動器中，在各試樣的每個磁頭中確認產生巴克好森噪聲的磁頭數。結果如表3所示。
表3試樣CoNbZr合金膜產生巴克好森噪聲編號的膜厚(nm)的磁頭數1 33802 5653 7104 10 6由表3可見，∑(Ms×d×Hk)值越大，則難以產生巴克好森噪聲。
實施例3採用(Ni70Fe10Co20)95Cr5合金膜作為軟磁層5，代替由上述實施例2的非晶CoNbZr合金膜與NiFe合金膜的層疊模構成的軟磁層，除此之外與實施例1相同，製備如此結構的旋球層疊膜7。此時，如表3所示那樣改變作為軟磁層5的(Ni70Fe10Co20)95Cr5合金膜的膜厚。
然後，在上述旋球層疊膜7上進行布圖，再進行與實施例1相同的正交退火，得到各種MR元件。測量這些各個MR元件的元件整體的困難軸方向的矯頑力Hc。結果如表4所示。
表4試樣Ni70Fe10Co20)95Cr5∑(Ms×d×Hk)值困難軸方向的矯頑力合金膜的膜厚(nm)(TnmOe) Hc(Oe)5 3 24 1.56 5 40 0.87 7 56 0.78 1080 0.5由表4可見，採用(Ni70Fe10Co20)95Cr5合金膜作為軟磁層5時，隨著膜厚增大∑(Ms×d×Hk)值變大，隨此矯頑力Hc降低。因此，∑(Ms×d×Hk)值超過30(TnmOe)的第6-8號試樣(實施例)，可見其矯頑力Hc在1Oe以下。這樣，通過使∑(Ms×d×Hk)＞30(TnmOe)，可獲得良好的軟磁特性。
當調查上述各試樣的MR變化率時，均呈現7％以上的大值。而且，與實施例2同樣地製備MR磁頭，當調查是否發生巴克好森噪聲時，在採用矯頑力Hc在1Oe以下的MR元件的情況下確認可以抑制巴克好森噪聲的發生。
如上所述，根據本發明的磁阻效應元件，可以獲得再現性良好地獲得大的MR變化量和良好的軟磁特性。因此，可以大幅度提高旋球的磁致電阻效應元件的實用性。
權利要求
1.一種磁阻效應元件，包括呈現磁阻效應的層疊體，具有第一強磁性導電層，在此第一強磁性導電層上層疊的非磁性導電層和在此非磁性導電層上層疊的第二強磁性導電層；在此層疊體上形成的一對電極，其特徵在於，所述第一和第二強磁性導電層中的至少一方，具有易磁化軸方向不同的第一和第二強磁性膜。
2.根據權利要求1的磁阻效應元件，其特徵在於所述第一與第二強磁性膜的易磁化軸大致正交。
3.根據權利要求1的磁阻效應元件，其特徵在於，所述第一強磁性膜由Co或者Co合金構成，而且與非磁性導電層接觸地配置。
4.一種磁阻效應元件，其中，在膜面內方向具有單軸磁各向異性的強磁性導電層所構成的、在測量磁場的作用下磁化方向旋轉的自由層，和在膜面內方向具有單軸磁各向異性的強磁性導電層所構成的、在測量磁場的作用下磁化方向不旋轉的轉接層，是由其間夾有非磁性導電層的層疊體構成，檢出取決於所述自由層和轉接層的磁化方向之間的角度的所述層疊的電阻變化；其特徵在於，所述自由層包含易磁化軸上互不相同的第一和第二強磁性膜，所述自由層整體保持在預定方向的單軸磁各向異性。
5.根據權利要求4的磁阻效應元件，其特徵在於，所述第一與第二強磁性膜的易磁化軸方向大致正交。
6.一種磁致效應元件，包括層疊體，具有在膜面內方向具有單軸磁各向異性的第一強磁性導電層，在此第一強磁性導電層的第一主面上層疊的非磁性導電層，在此非磁性導電層上層疊的、在膜面內方向具有單軸磁各向異性的第二強磁性導電層，在所述第一強磁性導電層的第二主面上層疊的、由強反射磁性體構成的磁化固定膜；和在此層疊體上形成的一對電極；其特徵在於，所述第二強磁性導電層，含有易磁化軸方向不同的第一和第二強磁性層，所述第二強磁性導電層整體保持在預定方向的單軸磁各向異性。
7.根據權利要求6的磁阻效應元件，其特徵在於，所述第一與第二強磁性膜的易磁化軸方向大致正交，所述第一和第二強磁性膜中之一的易磁化軸方向與所述第一強磁性導電層的易磁化軸方向大致平行。
8.根據權利要求6的磁阻效應元件，所述第二強磁性導電層中，磁化可旋轉的程度較強，在與第一強磁性導電體層的磁化正交的方向上施加偏磁場。
9.一種磁阻效應元件，具有旋球膜，包括含Co強磁性體膜和軟磁性膜的層疊膜構成的第一磁性層；第二磁性層；在所述第一磁性層與第二磁性層之間配置的非磁性中間層；其特徵在於，所述軟磁膜由一種軟磁材料膜或者兩種以上軟磁材料膜組成的軟磁材料層疊膜構成，所述軟磁材料或者軟磁材料層疊膜，其磁化強度為Ms(T)、膜厚為d(nm)，各向異性磁場為Hk(Oe)時，滿足∑(Ms×d×Hk)＞30 (TnmOe)。
10.根據權利要求9的磁阻效應元件，其特徵在於，所述軟磁膜具有各向異性磁場Hk在5Oe以上的至少一種軟磁材料膜。
11.根據權利要求9的磁阻效應元件，其特徵在於，所述第一磁性層中，所述含Co強磁性體膜與所述非磁性中間層接觸地配置。
12.根據權利要求9的磁阻效應元件，其特徵在於，所述含Co強磁性體膜與軟磁性膜之間是磁交換結合，相對於外磁場成為一體。
13.根據權利要求9的磁阻效應元件，其特徵在於，所述第一磁性層的磁化方向與第二磁性層的磁化方向相互大致正交。
14.根據權利要求9的磁阻效應元件，其特徵在於，所述含Co強磁性體膜的膜厚在1nm至10nm。
15.磁阻效應元件的製造方法，該元件由第一強磁性導電層、在此第一強磁性導電層上層疊的非磁性導電層和在此非磁性導電層上層疊的第二強磁性導電層構成的、呈現磁阻效應的層疊體組成，這些第一和第二強磁性導電層中至少之一含有易磁化軸方向不同的第一和第二強磁性膜，包括如下熱處理工序，對所述層疊體於第一溫度，在第一方向施加磁場，保持預定時間；在施加磁場的情形下冷卻至第二溫度；在變為第二溫度的時刻把磁場旋轉至第二方向，如此冷卻至室溫；由此熱處理使第一和第二強磁性膜具有不同的易磁化軸方向。
16.根據權利要求15的磁阻效應元件的製造方法，其特徵在於，所述熱處理是在使第二磁場方向從第一磁場方向旋轉大致90度的條件下進行正交化熱處理。
17.根據權利要求15的磁阻效應元件的製造方法，其特徵在於，所述熱處理是在所述第一和第二強磁性膜的各向異性磁場的總量為10Oe以下進行的。
18.磁阻效應元件的製造方法，該元件具有旋球膜，包括含Co強磁性體膜和軟磁膜的層疊膜構成的第一磁性層，所述軟磁膜由一種軟磁材料膜或者兩種以上軟磁材料膜構成的軟磁材料層疊膜組成；第二磁性層；和在所述第一磁性層與第二磁性層之間配置的非磁性中間層；包括如下步驟在基片上形成軟磁膜；在所述軟磁性膜上層疊合Co強磁性膜，形成第一磁性層；在所述第一磁性層上層疊非磁性中間層；在所述非磁性中間層上形成由含Co強磁體組成的第二磁性層；在所述第二磁性層上形成強反磁性層，形成旋球膜；對所述旋球膜進行正交退火。
19.根據權利要求18的磁阻效應元件的製造方法，其特徵在於，所述軟磁膜形成步驟是在基片上形成含Co非晶合金膜，再在此非晶合金膜上層疊含Ni軟磁材料膜。
20.根據權利要求18的磁阻效應元件的製造方法，其特徵在於，選擇所述軟磁材料膜或者軟磁材料層疊膜的磁化Ms(T)、膜厚d(nm)、各向異性磁場Hk(Oe)，使∑(Ms×d×Hk)＞30(TnmOe)得以滿足。
全文摘要
在本發明的含有例如Co的強磁性層和由軟性磁層和層疊膜構成的磁性層的磁阻效應元件中,軟磁性層的磁化M
文檔編號H01F10/32GK1182262SQ9711166
公開日1998年5月20日 申請日期1997年3月27日 優先權日1996年3月28日
發明者上口裕三, 齊藤和浩, 福澤英明, 福家廣美, 巖崎仁志, 佐橋政司 申請人:株式會社東芝