磁阻元件及其製造方法
2023-09-16 08:47:15
專利名稱：磁阻元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及通過對磁阻膜提供檢測電流來檢測磁力的磁阻元件。
背景技術：
通過利用巨磁阻效應(GMR)，磁器件尤其是磁頭的性能有明顯改善。尤其是對磁頭、MRAM(Magnetic Random Access Memories，磁隨機存取存儲器)等應用自旋閥膜(SV膜)，在磁器件領域帶來了巨大的技術進步。
「旋閥膜」是包括非磁性間隔層介於兩層鐵磁層之間這種結構的多層膜，該多層膜結構其發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。在旋閥膜中，被固定層和自由層的磁化方向的相對角度的變化產生巨磁阻。這裡，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立變化。
利用旋閥膜的磁阻效應元件包括CIP(Current-In-Plane，電流在平面內)-GMR元件、CPP(Current-Perpendicular-to-Plane，電流垂直於平面)-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。
在電流垂直於平面類型中，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)]。該間隔層具有用於在NOL的部分內造成金屬導通的電流限制通路(CCP，current-confined-path)(見日本專利申請公開公報2002-208744)。
發明內容
本發明實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；設置於該第一磁性層上、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；以及設置於該薄膜層上、具有基本上固定的磁化方向的第二磁性層。
圖1是示出本發明實施例的磁阻元件的立體圖。
圖2是示出本發明實施例的磁阻膜的基本結構的立體圖。
圖3是示出常規旋閥膜的基本結構的立體圖。
圖4A是示出磁阻效應發生機制的示意圖。
圖4B是示出磁阻效應發生機制的示意圖。
圖5是示出磁阻元件製造過程的一個實例的流程圖。
圖6是示出用於製造磁阻元件的薄膜形成設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構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖10是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖11是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖12是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖13是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖14是示出其中上下被固定層兩者均具有合成被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖15是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖16是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖17是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖18是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖19是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖20是示出其中上下被固定層兩者均具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
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構而另一層具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
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構而另一層具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
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構而另一層具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
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構而另一層具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
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構而另一層具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
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構而另一層具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
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構而另一層具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
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構而另一層具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
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構而另一層具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
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構而另一層具有單層被固定結構的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖31是示出僅具有一層固定層的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖32是示出僅具有一層固定層的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖33是示出僅具有一層固定層的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖34是示出僅具有一層固定層的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖35是示出具有多層外部磁場檢測層的磁阻膜其結構例的立體圖。
圖36是示出具有多層外部磁場檢測層的磁阻膜的結構例的立體圖。
圖37是示出其中結合有本實施例的磁阻膜的磁頭的示意圖。
圖38是示出其中結合有本實施例的磁阻膜的磁頭的示意圖。
圖39是示出磁記錄/再生設備的主要部分的概略結構的立體圖。
圖40是示出從磁碟一側觀察的磁頭懸架組件的致動臂的前端部分的放大立體圖。
圖41是示出本發明實施例的磁存儲器的矩陣結構的一個實例的示意圖。
圖42是示出本實施例磁存儲器的矩陣結構的另一實例的示意圖。
圖43是示出本實施例磁存儲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。
具體實施例方式接下來參照
本發明各實施例。下面各實施例中，合金的成分按原子百分比(原子％)表示。
圖1是示出本發明實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於實際的厚度比例。
如圖1所示，本實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，並且形成於未圖示的襯底上。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與呈現磁阻效應的基本膜結構即自旋相依散射單元相對應。
(磁阻膜10的基本結構) 圖2所示的磁阻膜10與圖3所示的常規旋閥膜90在結構上具有非常大的區別。
圖2和圖3是示出本實施例的磁阻膜的基本結構的立體圖。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，呈現磁阻效應的自旋相依散射單元具有被固定層94、間隔層95、自由層96這三層結構。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立。被固定層94和自由層96的磁化方向的相對角度隨外部磁場而變化，並且可根據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構成呈現磁阻效應的自旋相依散射單元的三層結構。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制，被固定層16和外部磁場檢測層15彼此直接靠近。
在常規旋閥膜90中，間隔層95為非磁性層。但間隔層95中傳導的電子從磁性層(被固定層94和自由層96)流出從而具有自旋信息。為了實現更大的阻抗變化，重要的是防止傳導電子的自旋信息在間隔層95中丟失。但在實際製作的間隔層95中，無法實現完全理想的狀態，晶體缺陷、雜質元素等的影響造成自旋反轉現象。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，並且不受這種傳導電子的自旋反轉的影響。這可以實現較大的阻抗變化。磁阻膜10即便是不具有間隔層也能夠起到旋閥膜的功能。將在後文中說明磁阻膜10的工作機制。
磁阻膜10的自旋相依單元中的層數與旋閥膜90的情形相同。但磁阻膜10不具有間隔層(用於積極地分離磁耦合的機制)，能夠通過被固定層14、16實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/被固定層這五層結構。磁阻膜10可通過三層結構(相對而言較薄)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磁阻效應，需要適當地選擇外部磁場檢測層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。對於金屬層而言，則使用包含諸如Ti、V、Cr、或Mn這類元素的金屬材料。
此時，氧化物層、氮化物層、氧氮化物層等採用大約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現較大的磁阻率。採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，在採用金屬材料的情況下，允許的厚度範圍可以高達約5nm，包括0.5nm至3nm這一範圍。
(磁阻元件的詳細說明) 接下來詳細說明本實施例的磁阻元件。
下電極11在垂直於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於平面的方向流過。可通過檢測基於該電流的磁阻效應所引起的阻抗變化來檢測磁力。作為下電極11可採用電阻相對較低的金屬層向磁阻元件提供電流。
基底層12可以分為例如緩衝層12a和籽晶層12b。緩衝層12a對下電極11表面的粗糙度起緩衝作用。籽晶層12b控制其上所形成的旋閥膜的晶向以及晶粒大小。
作為緩衝層12a的材料可採用Ta、Ti、W、Zr、Hf、Cr、或者這些元素其中任何元素的合金。緩衝層12a的優選厚度範圍為約1nm至約10nm，最好是約2nm至約5nm。緩衝層12a太薄的話便無法顯現緩衝效應。另一方面，緩衝層12a太厚的話便會導致對磁阻率沒有貢獻的串聯阻抗的增加。另外，如果緩衝層12a上所形成的籽晶層12b具有緩衝效應的話，形成緩衝層12a便是不可或缺的。作為滿足上述條件的優選例，可採用Ta[3nm]作為緩衝層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優選的是具有fcc結構(face-centered cubic structure，面心立方結構)、hcp結構(hexagonal close-packed structure，密排六方結構)、或bcc結構(body-centeredcubic structure，體心立方結構)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充分顯現其改進晶體取向的作用，籽晶層12b的厚度範圍優選1nm至5nm這一範圍，最好是1.5nm至3nm這一範圍。Ru[2nm]為滿足上述條件的籽晶層12b的材料的優選例。
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，可以獲得較好的取向。可以通過利用剖面TEM從衍射點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能夠將旋閥膜的晶粒大小控制為5nm至20nm。結果是，即便是磁阻元件其尺寸較小，也可以防止特性變化。此外，不僅可採用具有晶粒的旋閥膜，還可採用具有非晶結構(其晶粒大小小到可當作為極限狀態)的旋閥膜。
可以根據種子層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等進行測定。
在適用於高密度記錄的再生磁頭中，元件尺寸為例如50nm或更小。晶粒大小相對於元件尺寸的較大比值會導致元件的特性變化。每一單位元件面積的晶粒數目較小會因晶體數目較小而導致特性變化，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，晶粒大小的優選範圍為3nm至20nm這一範圍。
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，顯現不出控制晶體取向等的效應。籽晶層12b太厚的話，會導致串聯阻抗的增加，有時會導致旋閥膜界面的表面不規則。
固定層13具有對將要成為形成於固定層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，可採用諸如IrMn、PtMn、PdPtMn、或RuRhMn這類反鐵磁材料。其中，IrMn作為適用於高密度記錄的磁頭材料較具優勢。IrMn可賦予單向各向異性的厚度小於PtMn情形，因而適合使高密度記錄所需的間隙變窄。
為了賦予足夠強的單向各向異性，需要適當設定固定層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，因此其厚度的優選範圍為4nm至18nm這一範圍，較為理想的是5nm至15nm這一範圍。作為滿足上述條件的優選例，可採用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較小，因而具有能夠禁止串聯阻抗和面積阻抗RA增加的優點。
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)和直接位於其上的被固定層141處於交換磁耦合狀態以具有單向各向異性。磁耦合層142上下方的被固定層143、141處於強磁耦合狀態以具有反向平行的磁化方向。
用作被固定層141的材料的實例包括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。作為另一例採用具有bcc結構的Fe50Co50[2.5nm]作為被固定層143的材料的話，由於薄膜中的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。由於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，最好是採用厚度為大約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。該厚度範圍是鑑於對固定層13(例如IrMn)所賦予的單向各向異性磁場場強以及經由磁耦合層142(例如Ru)以反鐵磁方式耦合的被固定層141和被固定層143的磁場場強的考慮而認為是理想的。
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，可採用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構的功能。作為磁耦合層142的Ru層其厚度最好為0.8nm至1nm。可以採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應的厚度0.3nm至0.6nm，替代與RKKY耦合的第二峰值相對應的厚度0.8nm至1nm。這裡可行的磁耦合層142的材料的實例是能夠穩定實現高可靠性耦合的0.9nm Ru。
作為被固定層143的實例，可採用具有2nm厚度的諸如Co90Fe10的磁性層。該被固定層143構成自旋相依散射單元其中一部分。該被固定層143是對磁阻效應具有貢獻的磁性層，並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，由於其對自旋相依界面散射的貢獻，位於與外部磁場檢測層15的界面上的磁性材料尤為重要。
也可採用bcc-FeCo替代常規的fcc-Co90Fe10作為被固定層143的材料。bcc-FeCo合金的實例包括FexCo100-x(x＝30％至100％)以及對其加入附加元素的FexCo100-x。同樣也可採用hcp-Co合金。此外，作為被固定層143的材料可採用諸如Co、Fe、或Ni這類金屬元素，也可以採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結構或fct結構。因此，有可能存在只是被固定層143具有bec結構的情況。在這種情況下，如果被固定層143太薄的話，難以穩定保持bcc結構，這會導致特性不穩定。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，這樣有助於對間隙減小的適應。如稍後所說明的那樣，磁阻效應的物理原理與常規旋閥膜中所用的GMR效應(包括CIP-GMR和CPP-GMR，其中CIPCurrent-in-plane(電流在平面內)，CPPCurrent-perpendicular-to-plane(電流垂直於平面)，GMRGiant magneto-resistance(巨磁阻))以及TMR(tunneling magneto-resistance(隧道磁阻))效應有所不同。因此，被固定層143即便是諸如1nm這般超薄，但有時仍可使用。
被固定層143的厚度最好為5nm或以下。這用於獲得較大的固定磁場。
作為被固定層143可採用其中磁性層(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層厚度太大有時會減小體積散射效應，並且會減弱上下磁性層經由該非磁性Cu層的磁耦合，從而被固定層14隻能呈現不夠充分的特性。超薄Cu層的優選厚度為例如0.25nm。
作為磁性層之間的非磁性層的材料，也可採用Hf、Zr、Ti等替代Cu。在插入任何上述超薄非磁性層的情況下，FeCo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。這裡，作為加入到FeCo中的元素可採用諸如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優勢在於，由於下列原因(1)和(2)各元素間往往很少有特性變化發生。
(1)沒有因晶粒表面的不規則而發生不規則性。
(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目的變化。
如果硬磁層用作固定層13的話，該硬磁層有時可起到固定層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設置於被固定層14上。外部磁場檢測層15具有與旋閥膜90的自由層96的功能相對應的功能。在常規旋閥膜90中，沒有間隔層95介於被固定層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的情況下呈現磁阻效應。
利用無間隔層的結構的一個優勢在於，沒有如上文所述間隔層中傳導電子的自旋反轉這種影響。由於不需要考慮自旋反轉現象，因而能夠對阻抗變化和MR比很容易得到較大數值，很容易實現對較高密度的適應。
而且，由於不需要間隔層95，因而磁阻膜10的總厚度可減小。可以形成具有足夠小的厚度以適應較窄間隙的磁阻元件。
作為外部磁場檢測層15可採用包括超薄氧化物層、氮化物層、或氧氮化物層這種結構。作為形成氧化物、氮化物、氧氮化物等的基本材料，可採用Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、W、Ta等。
磁阻膜10其特徵在於，外部磁場檢測層15直接形成於被固定層14上，兩者間沒有任何間隔層。如稍後將詳細說明的那樣，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)。基於此目的，較好是將包含例如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這類屬於能夠呈現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Fe、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的厚度範圍較好為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，有時呈現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是幾十至幾百[Oe]。即，隨外部磁場的方向，磁阻膜10會具有較高的阻抗或較低的阻抗。外部磁場檢測層15的一個期望例是以TiOx為基本材料、並包含Fe或Co元素的TiOx-Co或TiOx-Fe層。如稍後將要說明的那樣，具有該結構的磁阻膜10在施加有正向磁場的情況下會具有較低的阻抗，而在施加有大約100[Oe]的負向磁場的情況下則會具有較高的阻抗。
外部磁場檢測層15可以包含Fe、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％範圍內適當改變。
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的材料可採用包含Ti、V、Cr、Mn、或Pd作為主要組分的金屬材料，或者可採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弱磁性。具體來說，如本實施例那樣超薄薄膜被上下鐵磁材料夾住的這種結構中，很容易呈現磁性。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設置於外部磁場檢測層15上。被固定層16的磁化方向固定，並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形成於被固定層16上，有時也會呈現磁阻效應。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有時經由外部磁場檢測層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外部磁場檢測層15檢測外部磁場時被固定層14、16會因何種機制而經由外部磁場檢測層15處於強磁耦合狀態。
對於被固定層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優勢在於，由於下列原因(1)和(2)各元素間往往不會有特性變化發生。
(1)不會發生因晶粒表面的不規則而引起的不規則性。
(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目變化這種問題。
如上文所述，固定層17較好是設置於被固定層16上從而呈現足夠的固定功能。在這種情況下，被固定層16可以具有與被固定層14情形相同的結構。舉例來說，被固定層16可以具有利用Ru等的合成被固定結構。此外，可採用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可具有下列結構(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於固定被固定層14的硬磁層作為固定層17，用於固定被固定層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這一多層結構，可以具有諸如CoFe[2nm]/Ru
/CoPt[3.2nm]這類結構。此時，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設置於固定層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直接設置於被固定層16上的情況下，較好是有Cu層或Ru層設置於磁性層(被固定層16)上。此時Cu或Ru的厚度較好為約0nm至約2nm。作為遮蓋層18的材料，可採用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電氧化物或氮化物。其厚度較好為約1nm至約5nm。
A.磁阻效應的發生機制(1) 下面說明如何在磁阻膜10中發生磁阻效應的物理機制。但目前無法完全了解如何發生磁阻效應的物理機制的某些部分。
R-H(阻抗-磁場)環路和M-H(磁化-磁場)環路的測定表明，當磁阻效應發生時被固定層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採用諸如TiOx這類通常認為是非磁性的材料。但由於下列原因(1)至(3)，外部磁場檢測層15有可能呈現弱磁性。
-原因1)外部磁場檢測層15具有1.2nm這種非常薄的厚度，其上下側設置的被固定層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，從而會有可能呈現磁性。
-原因2)外部磁場檢測層15中包含的諸如Ti這類3d族過渡金屬元素會有可能使外部磁場檢測層15呈現磁性。
-原因3)因為諸如Co或Fe這類磁性元素其中某一數量從被固定層14、16擴散，所以外部磁場檢測層15會有可能包含磁性元素。
當呈現磁性時，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。可以認為，當外部磁場檢測層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，磁阻膜10具有較低的阻抗，而當外部磁場檢測層15具有反向平行的磁化方向時，磁阻膜10便具有較高的阻抗。舉例來說，當沒有施加磁場時，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，振動樣本磁強計)所實現的磁化測定結果準確度的條件下，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，還可以採用很容易呈現弱磁性的、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。這裡主要組分是指其含量為50原子％(atomic％)或以上的組分。該定義同樣適用於其他說明。當使用任何上述元素時，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)的影響而會有弱磁性即磁化發生。
B.磁阻效應的發生機制(2) 作為磁阻效應的發生機制(2)，可設想外部磁場檢測層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在不具有其感應外部磁化的淨力矩的情況下檢測外部磁場這種情形。傳導電子在被固定層14、16之間流進/流出。當傳導電子通過外部磁場檢測層15時，傳導電子的自旋反轉發生一次而不會因為外部磁場的影響發生多次。傳導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自旋的方向而變化。
圖4A和圖4B示出磁阻效應的發生機制(2)。
傳導電子從被固定層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+，傳導電子的自旋並不反轉。這種狀態下，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-，傳導電子的自旋在外部磁場檢測層15中反轉。這種狀態下，磁阻膜具有較高的阻抗。
這裡，當施加與被固定層14、16的磁化方向相平行的磁場H+時磁阻膜具有較低的阻抗，當施加反向平行的磁場H-時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，這種關係會有可能相反。也就是說，在某些情況下，當施加與被固定層14、16的磁化方向相平行的磁場H+時阻抗會變得較高，而當施加反向平行的磁場H-時該阻抗會變得較低。
通常而言，傳導電子的自旋並不因外部磁場而直接反轉。可以認為，外部磁場檢測層15的內側處於很容易因外部磁場而引起傳導電子的自旋直接反轉的狀態。雖未了解該微觀機制的細節，但可以推斷外部磁場檢測層15較好是處於具有淨力矩狀態和無淨力矩狀態兩者間的臨界狀態。從這個觀點出發，作為外部磁場檢測層15來說希望使用很容易呈現磁性的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.磁阻效應的發生機制(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)經由外部磁場檢測層15處於強磁耦合狀態(自耦合狀態)。很有可能會發生該現象，其原因在於外部磁場檢測層15中對磁耦合具有貢獻的局部的電子的存在與因外部磁場而引起自旋反轉的傳導電子是分開的。
這種情況下，需要僅設置與被固定層14、16相對應的固定層13、17其中的一層，可省略固定層13、17其中的另一層。由於經由外部磁場檢測層15的磁耦合，其上未設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。
由於固定層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，自耦合效應所產生的好處在於，即便是僅設置有固定層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，多層磁性層經由多層外部磁場檢測層15磁耦合，並且全部上述磁性層可用作被固定層。對多層外部磁場檢測層15的使用表明存在多個自旋相依散射單元，從而可期望較高的磁阻率。
(磁阻元件的製造方法) 下面說明磁阻元件的製造方法。
如圖5中的流程圖所示，基底層12至遮蓋層18依次層疊於襯底上。上述各層層疊之後，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。如稍後將要說明的那樣，當採用硬磁層作為固定層13、17時，可通過施加幾十秒鐘至幾分鐘時間約10kOe至約15kOe量級的磁場來使被固定層14、16的磁化固定。
可應用下列兩種方法(1)和(2)形成外部磁場檢測層15。
(1)形成了作為尚未經過氧化、氮化、或者氧氮化的基底材料的金屬材料膜之後，使金屬材料的表面經過氧化。可採用濺射、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。可採用濺射、沉積、MBE、離子束濺射、CVD等方法形成該層。
這裡，作為(1)中的表面氧化可採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後，該薄膜的表面暴露於含氧或含氮氣體中。含氧或含氮氣體的實例是氧氣、氮氣、氧和氮的混合氣體、氧氣和稀有氣體的混合氣體、氮氣和稀有氣體的混合氣體、以及氧氣、氮氣和稀有氣體的混合氣體。
2)在能量輔助氧化過程中，金屬材料由含氧或含氮氣體氧化、氮化或氧氮化，同時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，可採用離子束或等離子體照射和加熱兩者組合的方法。
接下來說明用於製造磁阻元件的薄膜形成設備。
如圖6所示，薄膜形成設備包括分別經由各閘門閥(gate valves)設置於過渡腔(TC)50周圍的負載固定腔51、預清洗腔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。該薄膜形成設備中，襯底能夠在真空中在經由閘門閥(gate valve)連接的各腔室間傳送，所以使該襯底表面保持潔淨。每個腔室的最終真空度希望處於10-8託至10-10託量級。出於實際應用的角度來考慮，所希望的真空度一般處於10-9託量級。
金屬沉積腔53、54具有多靶(5至10)。薄膜形成方法的實例是諸如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。
(實例) 接下來說明本發明其中一例。該例的磁阻膜10的結構具有下列結構-下電極11-基底層12(緩衝層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] 形成旋閥膜之後，在10kOe磁場中進行4小時的290度熱處理來改善結晶性並實現規則的PtMn。此後，旋閥膜的元件尺寸由光刻工藝限定，並形成上電極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)經由Ru(磁耦合層142、磁耦合層162)以反鐵磁(反向平行)的方式處於與設置於其上下外部側的CoFe層(被固定層141和被固定層163)強磁耦合的狀態。
上述CoFe層(被固定層143和被固定層161)由設置於其外側的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整。
這裡採用反鐵磁層作為固定層13。但作為替代，也可以採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。在硬磁層用於固定的情況下，較好是在旋閥膜形成之後進行用於改善結晶性的熱處理。
如稍後所說明的那樣，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後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)的磁場時則具有較高的阻抗。該例的磁阻膜10中，面阻抗RA為4000[mΩμm2]，並且磁阻率MR為16％。面積阻抗RA的數值非常大，但可以通過材料和工藝的優化來減小。
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層是連續的，沒有任何針孔(pinhole)。外部磁場檢測層15因而是連續的，所以即便是元件尺寸微小至50nm或更小，每個元件的變化也有所減小。
下面說明磁阻膜10的特性如何隨製作條件而變化。
圖8是示出當磁阻膜10中形成有TiOx層(外部磁場檢測層15)時氧氣流量和磁阻率MR兩者間相關性的圖表。此時的薄膜結構與上述實例的結構相同。
由圖8可知，當氧氣供應量較小(氧化不充分)時，觀察不到磁阻率MR的增加。當氧氣供應量達到一定值時，磁阻率急劇增加。而當氧氣供應量太大時，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，需要適當選擇形成外部磁場檢測層15的氧化條件。
(磁阻膜的多層結構) 接下來說明磁阻膜的多層結構。如上文所述，被固定層14/外部磁場檢測層15/被固定層16這三層結構構成磁阻膜10的基本結構，但該多層結構可有所變化。
-多層膜結構A上下被固定層14、16兩者均具有合成被固定結構的情形。
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構的磁阻膜10AA至10AF其結構例的立體圖。圖9至圖14中的各結構與圖2所示的結構基本相同。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，並且基本相同。作為固定層131、171，可以採用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於反鐵磁層131和硬磁層172。這裡，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的磁化固定從而實現這樣一種磁化配置狀態。這裡，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，可獨立設計具有硬磁特性的磁性層(硬磁層172)和有利於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基本相同的結構，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。而當使用硬磁層172時，可通過在磁性熱處理之後施加較大的磁場來使磁化在任何方向上固定。這樣可以實現諸如磁阻膜10AC、磁阻膜10AD這類結構變形。
磁阻膜10AE、磁阻膜10AF的結構中，磁阻膜10AC、磁阻膜10AD的上下固定層彼此互換。硬磁層132設置於外部磁場檢測層15的下側。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的結構與磁阻膜10AC、10AD的結構在下列方面有所不同。具體來說，磁阻膜10AE、10AF的結構中，硬磁層132設置於基底層一側。因此，對於硬磁層132下方的基底層12來說，可選擇加強硬磁性的基底材料。舉例來說，作為基底層12可以選用包含Cr、W、V等並具有bcc結構的金屬層，來實現硬磁層的面內磁化方向。此外，作為基底層12可以採用適合於使硬磁層132成為具有垂直於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。
-多層膜結構B上下被固定層14、16均具有單層被固定結構的情形 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構的磁阻膜10BA至10BF的結構例的立體圖。磁阻膜10BA至10BF與磁阻膜10AA至10AF基本相同，不同之處在於上下被固定層14、16均具有單層被固定結構。
用單層被固定結構替代合成被固定結構能夠減小旋閥膜的總厚度。但不用該合成結構則存在被固定磁場比用合成被固定結構的情形弱這種可能。根據所需的技術規範，可有選擇地適用磁阻膜10AA至10AF的結構和磁阻膜10BA至10BF的結構。
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。這裡可用作反鐵磁層131、171的實例為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，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，也可以採用其主要組分為hcp-Co的Co、Co合金、CoPt、CoPrCr合金或FePt，或者也可以採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。這裡，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現這樣一種磁化配置方向。這裡，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，可以獨立設計具有硬磁特性的磁性層(硬磁層172)和有利於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基本相同的結構，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將合成被固定結構用作固定層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後施加較大的磁場來使磁化固定在任何方向上。這可以實現諸如磁阻膜10BC、磁阻膜10BD這類結構變形。
磁阻膜10BE、10BF的結構中，磁阻膜10BC、10BD的上下層彼此互換。硬磁層132設置於外部磁場檢測層15的下側。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的結構與磁阻膜10BC、10BD的結構在下列方面有所不同。具體來說，磁阻膜10BE、10BF的結構中，硬磁層132設置於基底層12一側。因此，對於硬磁層132下方的基底層12而言，可選用加強硬磁性的基底材料。舉例來說，作為基底層12可以選用包含Cr、W、V等並具有bcc結構的金屬層來實現硬磁層132的面內磁化方向。此外，作為基底層12可採用適合於使硬磁層132成為具有垂直於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。
-多層膜結構C被固定層14具有合成被固定結構，而被固定層16具有單層被固定結構的情形 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構而另一層則具有單層被固定結構的磁阻膜10CA至10CE的結構例的立體圖。圖21至圖25所示的磁阻膜10CA至10CE中，被固定層14具有合成被固定結構，被固定層16具有單層被固定結構。
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構。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。這裡可用作反鐵磁層131、171的實例為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。可用作硬磁層172的材料的實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。這裡，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。這裡，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，可以獨立設計具有硬磁特性的磁性層(硬磁層172)和有利於改善磁阻率的磁性層(被固定層161)。
磁阻膜10CD的結構中，磁阻膜10CB中的上下側彼此互換。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設置於基底層12一側，所以就硬磁層132下方的基底層12而言，可以選用加強硬磁性的基底材料。舉例來說，作為基底層12可用例如包含Cr、W、V等並具有bcc結構的金屬層，從而實現硬磁層132的面內磁化方向。此外，作為基底層12可使用適合於使硬磁層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。
-多層膜結構D被固定層14具有單層被固定結構，而被固定層16具有合成被固定結構的情形 圖26至圖30是示出除了被固定層14具有單層被固定結構而被固定層16具有合成被固定結構以外、其他均與磁阻膜10CA至10CF相同的磁阻膜10DA至10DE的結構例的立體圖。
-多層膜結構E存在單一固定層的情形 圖31至圖34是示出因機制(3)而發生磁阻效應的磁阻膜10EA至10ED的結構例的立體圖。磁阻膜10EA至磁阻膜10ED中，外部磁場檢測層15上下側的磁性層(被固定層143、161)處於彼此經由外部磁場檢測層15強磁耦合的狀態。這種情況下，由於被固定層143、161彼此經由外部磁場檢測層15的強磁耦合，固定層13、17其中之一可以省略。
磁阻膜10EA、10EB中，固定層13僅設置於被固定層14一側，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，並具有合成被固定結構。磁阻膜10EB將硬磁層132用作固定層13，並具有合成被固定結構。由於與被固定層143的磁耦合，因而被固定層161的磁化固定。結果是，固定層13被固定層14、16共用。
磁阻效應膜10EC、10ED中，固定層17僅設置於被固定層16一側，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，並具有合成被固定結構。磁阻膜10ED將硬磁層172用作固定層17，並具有合成被固定結構。
磁阻膜10EA至10ED均為具有合成被固定結構的實例。作為合成被固定結構的替代，也可用單層被固定結構。
-多層膜結構F設置有多層外部磁場檢測層15的情形 圖35和圖36所示的磁阻效應膜10FA、10FB分別具有多層外部磁場檢測層15。
該結構在因機制(3)而發生磁阻效應的情況下有效。在設置有多層外部磁場檢測層15的情況下，由於多層膜結構，某些被固定層不會與固定層13直接接觸。但因機制(3)而發生磁阻效應的話，上下磁性層(被固定層)處於經由外部磁場檢測層15磁耦合的狀態。這使得這種結構成為可能。這種結構中，屬於發生磁阻效應的重要層的外部磁場檢測層15按多層設置，這樣可以隨層數增加磁阻率。
磁阻膜10FA將反鐵磁層131用作固定層13，並具有合成被固定結構。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設置於具有合成被固定結構的被固定層14上，其上設置有被固定層161a。被固定層143和該被固定層161a處於經由外部磁場檢測層15a強磁耦合的狀態。
被固定層161a上設置有外部磁場檢測層15b和被固定層161b。被固定層161a、161b經由外部磁場檢測層15b靠固定層13固定。
具體來說，僅利用單個固定層13，便可經由外部磁場檢測層15a、15b固定多層被固定層161a、161b的磁化。由於存在多層外部磁場檢測層15a、15b，可與外部磁場檢測層的數目成正比增加磁阻率。
與磁阻膜10FA同樣，磁阻膜10FB在下層一側具有單個固定層13，並具有合成被固定結構。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的數目比磁阻膜10FA的情形多一層，從而其總數目為3層。由於外部磁場檢測層15數目的增加，磁阻率可以具有較大的數值。被固定層161a至161c經由多層外部磁場檢測層15a、15b、15c靠固定層13固定。
(磁阻元件的應用) 接下來說明本發明實施例的磁阻元件(無間隔層自旋閥元件)的應用。
本實施例中，從適應於高密度的角度出發，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與旋閥膜的電流導通部分的有效面積A相乘，以便計算元件阻抗RA。這裡可直接測定元件阻抗R。而自自旋閥膜的電流導通部分其有效面積A是與元件結構相關的數值，有效面積A的數值必須仔細確定。
舉例來說，在整個旋閥膜形成有布圖作為有效檢測區域的情況下，整個旋閥膜其面積是有效面積A。這種情況下，從合適設定元件阻抗的角度考慮，旋閥膜的面積最多設定為0.04μm2或以下，並且對於200Gbpsi或以上這種記錄密度而言，該面積設定為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，從合適設定元件阻抗的角度考慮，較小電極其面積最多設定為0.04μm2或以下。
下面詳細說明的圖37和圖38所示例中，由於圖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。至於高度方向，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。
本實施例的磁阻元件中，各電極之間的阻抗R可設定為100Ω或以下。該阻抗R是例如附接於HGA(head gimbal assembly，磁頭懸架組件)的尖端上的再生磁頭的兩個電極盤間所測定的阻值。
本實施例的磁阻元件，當被固定層14、16具有fcc結構時希望具有fcc(111)取向。被固定層14、16具有bcc結構的話，希望為Bcc(110)取向。被固定層14、16具有hcp結構的話，希望為Hcp(001)取向或hcp(110)取向。
至於本實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，較理想的為3.5°以內，最好是3.0°以內。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中的光點散射角求得該值。
反鐵磁層用作固定層13的話，雖取決於反鐵磁膜的材料，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算。舉例來說，IrMn和被固定層往往晶格間距不同。由於IrMn為相對較厚的薄膜，因而屬於適合對晶體取向的散射角進行測定的材料。
(磁頭) 圖37和圖38示出本實施例的磁阻元件組裝於磁頭中的狀態。圖37是磁阻元件沿面向磁記錄介質(未圖示)的空氣承載面ABS其基本上平行方向剖切的狀態的剖面圖。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接結構。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分別設置於磁阻膜10的上側和下側。圖37中，有偏置場施加膜41和絕緣膜42分別層疊於磁阻膜10的兩側。如圖38所示，遮蓋層43形成於磁阻膜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其上下兩側設置的上電極20和下電極11提供對磁阻膜10的檢測電流。此外，由左右位置設置的成對的偏置場施加膜41、41對磁阻膜10加上偏置磁場同樣也是優選例。通過該偏置磁場在磁阻膜10的外部磁場檢測層15中形成單個磁疇。結果是，外部磁場檢測層15的磁疇結構得到穩定，並且可以減小隨磁疇壁移動所產生的Barkhousen噪聲。但外部磁場檢測層15(在因機制(1)、(2)而發生磁阻效應的情況下)沒有磁化的話，該偏置場施加膜有時可以省略。
磁阻膜10應用於磁頭時，由於其得以提高的信噪比(S/N比)，因而可以實現高靈敏度的磁再生。
(硬碟和磁頭懸架組件) 圖37和圖38所示的磁頭能夠組裝於記錄/再生一體型的磁頭組件中，該磁頭組件進而可安裝到磁記錄/再生設備中。
圖39中所示的本實施例的磁記錄/再生設備150使用旋轉致動器。圖39中，磁碟200裝載於主軸152上，並由響應未圖示的驅動控制部輸出的控制信號的未圖示的電動機按照箭頭A的方向旋轉。本實施例的磁記錄/再生設備150可包括多個磁碟200。
用於記錄/再生磁碟200上存儲的信息的磁頭浮動塊153附接於薄膜懸架154的尖端。磁頭浮動塊153在其尖端附近具有包括任一前文所述實施例的磁阻元件在內的磁頭。
磁碟200旋轉時，磁頭浮動塊153的空氣承載面ABS相對於磁碟200的表面以預定高度保持懸浮。作為替代，磁頭浮動塊153也可以是會與磁碟200相接觸的所謂「接觸式」浮動塊。
懸架154與致動臂155其中一端相連接。致動臂155其中另一端則設置有屬於線性電機類型的音圈電動機156。該音圈電動機156包括下列組成部分卷繞於繞線管上的未圖示的驅動線圈；以及包括彼此對置並夾有該驅動線圈的永磁鐵和對置磁軛的磁路。
致動臂155由主軸157其上下兩側的兩處位置設置的未圖示的球軸承等所保持，可由音圈電動機156旋轉/浮動。
如圖40所示，組件160具有致動臂155，懸架154與致動臂155其中一端相連接。懸架154的尖端附接有設置有包括任一前文所述實施例的磁阻元件在內的磁頭的磁頭浮動塊153。懸架154具有用於信號讀寫的引線164，並且該引線164與磁頭浮動塊153中所組裝的磁頭其各電極電連接。圖40中的參照標號165標註該組件160的各電極盤。
本實施例的磁記錄/再生設備，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碟200上以磁方式記錄的信息。
(磁存儲器) 接下來說明包括任一前文所述實施例的磁阻元件在內的磁存儲器。具體來說，對任一實施例的磁阻元件的使用可以實現例如其中存儲單元按矩陣形式配置的MRAM(magnetic random access memory，磁隨機存取存儲器)這類磁存儲器。
圖41中所示的本實施例的磁存儲器具有其中存儲單元按陣列形式配置的電路配置。設置有列解碼器350和行解碼器351用於選擇陣列中的一個數字位，並通過選擇特定位線334和特定字線332，來導通並唯一性地選擇開關電晶體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，從而施加所產生的磁場。
圖42中所示的本實施例的另一例磁存儲器中，分別由解碼器360、361選擇位線322其中一個特定位線和字線334其中一個特定字線，其中位線322和字線334按矩陣形式配置。因此從該陣列當中選中一特定的存儲單元。每個存儲單元具有磁阻膜10和二極體D串聯連接這種結構。這裡，二極體D用於防止檢測電流流至所選定的磁阻膜10相對應的存儲單元以外的其他存儲單元。要寫入信息，則使寫入電流通過特定位線322和字線323，從而施加所產生的磁場。
圖43和圖44中所示的結構與圖41或圖42所示的磁存儲器中包括的單個位的存儲單元相對應。該存儲單元具有存儲元件部311和地址選擇電晶體部312。
存儲元件部311具有磁阻膜10和與其連接的一對導線322、324。磁阻膜10是任意前文所述實施例的磁阻元件。
地址選擇電晶體部312中，設置有通過通孔326和埋線328與磁阻膜10連接的電晶體330。電晶體330隨加到控制極332上的電壓進行開關操作來控制磁阻膜10和導線334兩者間電流通路的開通/關斷。
此外，寫入線323設置於磁阻膜10的下方，在導線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。
具有如上所述結構的存儲單元中，要將位信息寫入磁阻膜10，則將寫入脈衝電流送至導線322、323，從而施加由這些電流所感應的合成磁場，由此使磁阻元件的記錄層的磁化相應反轉。
要讀出位信息，則使檢測電流通過導線322、包括磁記錄層的磁阻膜10以及下電極324，於是可測定磁阻膜10的阻值或阻值變化。
本實施例的磁存儲器採用任意前文所述實施例的磁阻元件，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。
(其他實施例) 本發明不局限於上述實施例，可以對其進行擴展和修改。經過擴展和修改的實施例同樣為本發明技術範圍所包括。
本領域技術人員可以對磁阻膜的特定結構以及各電極、偏置施加膜、絕緣膜等的特定形狀和材料，通過在公知範圍內進行適當選擇，同樣實施本發明從而產生同樣的效果。舉例來說，將磁阻元件應用於再生磁頭時，磁頭的檢測解析度可通過提供該元件上下兩側的磁屏蔽來確定。
此外，本發明實施例不僅適用於縱向磁記錄類型的磁頭或磁再生設備，還適用於垂直的磁記錄類型的磁頭或磁再生設備。
而且，本發明的磁再生設備可以是始終設置有特定的記錄介質的所謂「固定」類型的磁再生設備，也可以是其中記錄介質可變的所謂「可移除」類型的磁再生設備。
除此之外，本發明的範圍同樣包括本領域技術人員可通過適當改變基於如上文所述本發明實施例的磁頭以及磁記錄/再生設備的設計所實現的全部磁阻元件、磁頭、磁記錄/再生設備、以及磁存儲器。
權利要求
1.一種磁阻元件，其特徵在於，包括具有基本上固定的磁化方向的第一磁性層；設置於所述第一磁性層上、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；以及設置於所述薄膜層上、具有基本上固定的磁化方向的第二磁性層。
2.如權利要求1所述的磁阻元件，其特徵在於，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.如權利要求1所述的磁阻元件，其特徵在於，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.如權利要求1所述的磁阻元件，其特徵在於，所述薄膜層具有的厚度不小於0.5nm，也不大於3nm。
5.如權利要求1所述的磁阻元件，其特徵在於，所述薄膜層具有隨外部磁場變化的磁化方向。
6.如權利要求5所述的磁阻元件，其特徵在於，當沒有施加外部磁場時，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.如權利要求1所述的磁阻元件，其特徵在於，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.如權利要求7所述的磁阻元件，其特徵在於，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.如權利要求7所述的磁阻元件，其特徵在於，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.如權利要求9所述的磁阻元件，其特徵在於，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、以及鐵鋁矽(FeAlSi)合金中選出的一種合金作為主要組分。
11.如權利要求1所述的磁阻元件，其特徵在於，進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.如權利要求11所述的磁阻元件，其特徵在於，所述反鐵磁層包括錳(Mn)合金。
13.如權利要求12所述的磁阻元件，其特徵在於，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.如權利要求11所述的磁阻元件，其特徵在於，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.如權利要求1所述的磁阻元件，其特徵在於，進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.如權利要求15所述的磁阻元件，其特徵在於，所述電流提供單元具有一對電極。
17.一種磁頭，其特徵在於，包括如權利要求1所述的磁阻元件。
18.一種磁記錄裝置，其特徵在於，包括如權利要求17所述的磁頭。
19.一種磁存儲器，其特徵在於，包括如權利要求1所述的磁阻元件。
20.一種磁阻元件的製造方法，其特徵在於，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；通過對所述金屬層進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；設置於該第一磁性層上、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；以及設置於該薄膜層上、具有基本上固定的磁化方向的第二磁性層。
文檔編號G11C11/16GK101064358SQ200710102978
公開日2007年10月31日 申請日期2007年4月27日 優先權日2006年4月28日
發明者福澤英明, 藤慶彥, 湯淺裕美, 巖崎仁志 申請人:株式會社東芝