專利名稱：磁電阻元件、磁再現(xiàn)頭和磁再現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用其中感應(yīng)電流基本沿垂直于膜表面的方向流動(dòng)的磁電阻薄膜的磁電阻元件、采用該特定磁電阻元件的磁電阻頭，以及采用其中安裝該磁電阻頭的磁記錄再現(xiàn)裝置。
背景技術(shù)：
在某種類型的鐵磁性材料中，已知電阻隨外磁場(chǎng)的強(qiáng)度而改變。這種特別的現(xiàn)象被稱作磁電阻效應(yīng)并可被用于檢測(cè)外磁場(chǎng)。利用該磁電阻效應(yīng)的場(chǎng)傳感元件被稱作磁電阻元件，在下文中的某些情形下被稱作“MR元件”。
MR元件被用在磁頭中，以讀出存儲(chǔ)在采用磁記錄介質(zhì)，例如硬盤或磁帶的磁記錄-再現(xiàn)裝置中的記錄介質(zhì)上的信息，這種特別的磁頭被稱作MR頭。
近年來，在采用MR頭的磁記錄-再現(xiàn)裝置中磁記錄密度更高，特別是在硬盤裝置中，結(jié)果是一位的尺寸更小，來自位的漏磁通，即信號(hào)磁場(chǎng)更低。在這種情況下，需要即使在較低磁場(chǎng)下也能提供高磁電阻比的高靈敏度、高信噪比的MR元件來讀出在磁記錄介質(zhì)上高密度寫入的信息。
在這種情況下，今天通常采用允許提供高M(jìn)R比的巨磁電阻元件(GMR)，即所謂的“自旋閥薄膜”作為在硬盤MR頭中所包含的MR元件。
這種自旋閥薄膜具有疊層結(jié)構(gòu)，包括鐵磁性層F、非磁性層S、鐵磁性層P和反鐵磁性層，按所述的順序疊置。鐵磁性層P和鐵磁性F處于未磁耦合的狀態(tài)，非磁性層S夾在其間。鐵磁性導(dǎo)層P的磁化由反鐵磁性材料的交換偏置來釘扎，而鐵磁性層F的磁化可以容易地由外磁場(chǎng)(例如信號(hào)磁場(chǎng))來轉(zhuǎn)動(dòng)。通過允許鐵磁性層F的磁化單獨(dú)地由外磁場(chǎng)來轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變兩個(gè)鐵磁性層磁化方向之間的相對(duì)角度，可以獲得高磁電阻效應(yīng)。
鐵磁性層F可以稱作自由層、場(chǎng)感應(yīng)層或磁化自由層。鐵磁性層P可稱作被釘扎層或磁化被釘扎層。非磁性層S可以稱作間隔層、界面調(diào)節(jié)中間層或中間層。
在今天廣泛使用的GMR頭中，通常采用的是這樣的系統(tǒng)，其中感應(yīng)電流在平行于膜表面的方向上流動(dòng)，以測(cè)量平行于膜表面的方向上的電阻。這種系統(tǒng)通常稱作面內(nèi)電流(CIP)系統(tǒng)。在CIP系統(tǒng)的情形下，可能得到大約10-20％的MR比。然而，為了在超過200Gbit/inch2的高記錄密度下實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)，希望得到甚至更高的MR比。另一方面，對(duì)于今天可得到的CIP自旋閥薄膜難以獲得超過20％的MR比。結(jié)果，關(guān)于可以提高M(jìn)R比到何種程度的情況是進(jìn)一步提高記錄密度必須解決的嚴(yán)重問題。
在這種情形下，電流垂直于表面(CPP)的GMR薄膜吸引了注意力，這種GMR薄膜通常被認(rèn)為表現(xiàn)出高于CIP-GMR薄膜的MR比。在CPP系統(tǒng)中，感應(yīng)電流沿垂直于膜表面的方向流動(dòng)。然而，在CPP-GMR薄膜中，要測(cè)量對(duì)應(yīng)于GMR薄膜的厚度的部分的電阻，因此單位面積的電阻很低。結(jié)果，作為元件電阻的輸出很低，從而產(chǎn)生了不能獲得高信噪比的問題。
為了克服前述低電阻和低MR比的問題，例如在美國(guó)專利6,348,274中提出了提供有具備電流限制效應(yīng)的電阻調(diào)節(jié)層的CPP-GMR元件。然而，在該現(xiàn)有技術(shù)中，自由層和被釘扎層之間的層間耦合(Hin)很明顯，以至于產(chǎn)生降低擊穿電壓的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供適應(yīng)于未來所需高磁記錄密度的高靈敏度磁電阻元件，該元件具有低層間耦合場(chǎng)和高擊穿電壓，同時(shí)維持合適的電阻和高M(jìn)R比，以及采用該特定磁電阻元件的磁頭和采用該特定磁頭的磁記錄-再現(xiàn)裝置。
根據(jù)本發(fā)明的本發(fā)明一方面的磁電阻元件包括磁電阻薄膜，包括磁化方向基本上被釘扎在一個(gè)方向上的磁化被釘扎層，磁化方向可根據(jù)外磁場(chǎng)自由改變的磁化自由層，和形成在磁化被釘扎層和磁化自由層之間、并具有第一非金屬中間層/金屬中間層/第二非金屬中間層疊層結(jié)構(gòu)的非磁性中間層；以及一對(duì)電極薄膜，設(shè)置成允許電流沿基本上垂直于磁電阻薄膜表面的方向流動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的本發(fā)明另一方面的磁頭，包括上述磁電阻元件。
根據(jù)本發(fā)明的本發(fā)明的又另一方面的磁記錄-再現(xiàn)裝置，包括上述磁頭和磁記錄介質(zhì)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的磁電阻元件的截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施方式的磁電阻元件的截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施方式的磁電阻元件的截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施方式的磁電阻元件的截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施方式的磁電阻元件的截面圖；圖6表示現(xiàn)有技術(shù)1a的R-H曲線；圖7表示本發(fā)明例1的R-H曲線；圖8表示本發(fā)明的例1和現(xiàn)有技術(shù)1a的I-V特性；圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的磁記錄-再現(xiàn)裝置的結(jié)構(gòu)的透視圖；以及圖10是表示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的磁頭組件的結(jié)構(gòu)的透視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的磁電阻元件(CPP-SV薄膜)的截面圖。如圖所示，CPP-SV薄膜包括下電極10、底層11、反鐵磁性層12、磁化被釘扎層(被釘扎層)13、第二界面金屬層14、第二非金屬中間層15、金屬中間層16、第一非金屬中間層17、第一界面金屬層18、磁化自由層(自由層)19、保護(hù)層20和上電極21，以上多層以所述順序疊置在襯底(未示出)上。被釘扎層13制作成與反鐵磁性層12接觸。被釘扎層13的磁化由被釘扎層13和反鐵磁性層12之間的交換耦合來釘扎。自由層19的磁化方向由面對(duì)其空氣支承面的磁記錄介質(zhì)產(chǎn)生的外磁場(chǎng)來自由改變。所述一對(duì)電極可以從最上層例如保護(hù)層20的上表面和最下層例如底層11的下表面分開，同時(shí)在兩個(gè)電極之間形成其它導(dǎo)電層(或多層)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的CPP-SV薄膜的截面圖。如圖所示，CPP-SV薄膜包括下電極10、底層11、反鐵磁性層12、磁化被釘扎層(被釘軋層)13、第二非金屬中間層15、金屬中間層16、第一非金屬中間層17、磁化自由層(自由層)19、保護(hù)層20和上電極21，以上多層以所述順序疊置在襯底(未示出)。也就是說，圖2所示的CPP-SV薄膜是圖1所示CPP-SV薄膜省略第二和第一界面金屬層14和18的結(jié)構(gòu)。
不一定地，可以增加非金屬中間層的數(shù)目，以形成非金屬中間層/金屬中間層/非金屬中間層/金屬中間層/非金屬中間層這樣的結(jié)構(gòu)。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的磁電阻元件中，如圖1和圖2所示，形成非金屬中間層、金屬中間層和非金屬中間層的疊層作為自由層和被釘扎層之間的中間層。因?yàn)閮蓚€(gè)非金屬中間層被金屬中間層彼此隔開，因此由于增加了自由層和被釘扎層之間的中間層的厚度而可以降低作用在自由層和被釘扎層之間的中間層磁耦合。此外，降低了作用在每一個(gè)非金屬中間層上的電壓，從而提高了擊穿電壓。將描述這些效果。
通常，相對(duì)于由磁滯測(cè)量得到的CPP-SV薄膜的R-H曲線的中心軸產(chǎn)生對(duì)偏置點(diǎn)的偏移Hsh。這里，需要調(diào)整薄膜，以實(shí)現(xiàn)Hsh＝0。偏移Hsh表示成Hsh＝Hin+Hor-Hd，其中Hin是類似RKKY的界面耦合，Hor是歸因于界面粗糙度的界面耦合，Hd是由被釘扎層的漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的偏置效應(yīng)。不一定地，通過修正被釘扎層的結(jié)構(gòu)可以使Hd接近于0，也就是說Hd0。
其中在自由層和被釘扎層之間插入非金屬中間層/金屬中間層/非金屬中間層的疊層作為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的磁電阻元件，與在自由層和被釘扎層之間插入單層的非金屬中間層的現(xiàn)有技術(shù)相比，可以相當(dāng)程度地增加自由層和被釘扎層之間的距離。結(jié)果，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，可以使類似RKKY的界面耦合(Hin)和由于界面粗糙度引起的界面耦合(Hor)很小，從而減小偏移Hsh。
現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的磁電阻元件的擊穿電壓。由于本發(fā)明的磁電阻元件包含非金屬中間層/金屬中間層/非金屬中間層的疊層，因此降低了作用在單個(gè)非金屬中間層上的電壓。假設(shè)在元件上施加工作電壓Vt。在這種情形下，作用在單個(gè)非金屬中間層上的電壓大約是Vt/n，其中數(shù)量為n的非金屬中間層(n＞1)設(shè)置在磁電阻元件中，在2個(gè)非金屬中間層設(shè)置在磁電阻元件中的情形下，該電壓大約是Vt/2。由此，在如同現(xiàn)有技術(shù)在磁電阻元件中設(shè)置單個(gè)的非金屬中間層的情形下，擊穿電壓是VB，在磁電阻元件中設(shè)置數(shù)量為n的非金屬中間層的情形下，擊穿電壓大約是nVB，在磁電阻元件中設(shè)置兩個(gè)非金屬中間層的情形下，擊穿電壓大約是2VB。不一定地，為了提高具有單層的非金屬中間層的現(xiàn)有技術(shù)元件的擊穿電壓，必須增加非金屬中間層的厚度。然而，在這種情形下，單位面積電阻(RA)也增加了，結(jié)果該磁電阻元件不能用在磁頭中。
將詳細(xì)描述包含在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的磁電阻元件的每層。
<非金屬中間層的形態(tài)>
將參照?qǐng)D3和4描述非金屬中間層的形態(tài)。如圖3和4所示，非金屬中間層15(17)由包含導(dǎo)電相15a(17a)和絕緣相15b(17b)的兩相或更多相組成。導(dǎo)電相以圓柱狀結(jié)構(gòu)存在并用作電流路徑。絕緣相由氧化物、氮氧化物或氮化物組成。非金屬中間層15(17)分成平行于非金屬中間層表面的面，用于減小電流路徑的截面，從而限制電流。導(dǎo)電相表示表現(xiàn)出歐姆導(dǎo)電特性的部分。因此，導(dǎo)電相可包含少量的氧。非金屬中間層15(17)是否表現(xiàn)出歐姆導(dǎo)電可通過測(cè)量4.2K到大約300K溫度范圍內(nèi)、或至少77K到室溫的溫度范圍內(nèi)的電阻溫度特性來判斷。在歐姆導(dǎo)電的情況下，電阻隨溫度下降而降低。
另一方面，在例如隧道導(dǎo)電的情形下，觀察到電阻隨溫度的降低而增加。同時(shí)，在歐姆導(dǎo)電的情形下，觀察到電壓V不是完全與電流I成正比而是趨于向高壓側(cè)稍稍偏移的I-V(感應(yīng)電流對(duì)輸出電壓)特性。
導(dǎo)電相的尺寸應(yīng)是10nm或更小。如果導(dǎo)電相的尺寸超過10nm，電流限制效應(yīng)就很低，從而不能調(diào)節(jié)單位面積電阻RA。同時(shí)，考慮到提高M(jìn)R比的效果和下文將描述的導(dǎo)電相的分布，更需要導(dǎo)電相的尺寸為5nm或更小。
非金屬中間層的薄膜表面中導(dǎo)電相的面積比需要降到1％到20％的范圍內(nèi)。如果面積比小于1％，則元件的電阻過高。如果面積比超過20％，則電流限制效應(yīng)會(huì)減小，從而降低MR比。
非金屬中間層的薄膜表面中導(dǎo)電相的數(shù)量密度需要為每0.1μm2至少20。如果每0.1μm2導(dǎo)電相的數(shù)量小于20，則觀察到由浮在盤片上的頭表面附近的靈敏度降低以及磁道分布(track profile)的雙峰而導(dǎo)致的CPP-GMR頭的輸出減小。
另一方面，根據(jù)平面透射電子顯微鏡(TEM)圖像和納米尺度能散X射線(納米EDX)分析的觀察，這提供了判定局域成分的直接方法，在導(dǎo)電相中檢測(cè)到如Cu、Ag、Au、Ru、Ir、Pt和Os的電流路徑元素的數(shù)量大于形成構(gòu)成基體相的氧化物(或氮氧化物)的元素。也就是說，在薄膜表面觀察到成分的二維起伏。同時(shí)，在采用例如導(dǎo)電原子力顯微鏡(AFM)或隧穿AFM(TUNA)測(cè)量局域電流特性時(shí)，在薄膜表面內(nèi)觀察到二維電阻分布或二維電流分布，這使得能夠分辨導(dǎo)電相和絕緣相。在導(dǎo)電AFM測(cè)量的情形下，高導(dǎo)電性(或低電阻)的部分對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電相。在恒定電壓下進(jìn)行的TUNA測(cè)量的情形下，觀察到高電流的部分對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電相。
圖3和4表示非金屬中間層的兩種類型的結(jié)構(gòu)。圖3涉及其中非金屬中間層15、17的導(dǎo)電相設(shè)置成沿垂直于薄膜表面的方向未對(duì)齊的情形。圖4涉及其中非金屬中間層15、17的導(dǎo)電相設(shè)置成沿垂直于薄膜表面的方向?qū)R的情形。這些結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)都產(chǎn)生將元件的電阻增加至優(yōu)化范圍內(nèi)的效果。
<非金屬中間層的材料>
非金屬中間層由導(dǎo)電相和絕緣相構(gòu)成。非金屬中間層的導(dǎo)電相包含選自Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Ir和Os構(gòu)成的組中的至少一種元素。其中包含大量導(dǎo)電元素的部分形成進(jìn)行歐姆導(dǎo)電的導(dǎo)電相。在這種情形下，需要導(dǎo)電元素的數(shù)量為基于整個(gè)非金屬中間層的至少1原子％并小于50原子％。在這種特定條件下，可能形成上述導(dǎo)電特性的二維分布。
非金屬中間層的絕緣相由以下至少一種元素的氧化物、氮氧化物或氮化物形成，該元素選自硼(B)、硅(Si)、鍺(Ge)、鉭(Ta)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋁(Al)、鉬(Mo)、磷(P)、釩(V)、砷(As)、銻(Sb)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、釷(Th)、鈹(Be)、鎘(Cd)、鈧(Sc)、鑭(La)、釔(Y)、鐠(Pr)、鉻(Cr)、錫(Sn)、鎵(Ga)、銦(In)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鎂(Mg)、鋰(Li)、鋇(Ba)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銣(Rb)和稀土金屬構(gòu)成的組。
特別地，上述元素中B、Si、Ge、W、Nb、Mo、P、V、Sb、Zr、Ti、Zn、Pb、Cr、Sn、Ga、Fe、Co和稀土金屬傾向于形成晶態(tài)氧化物。另一方面，Al和Ta傾向于形成非晶態(tài)氧化物。與非晶態(tài)氧化物的情形相比，晶態(tài)氧化物中缺陷以及硫和氧原子傾向于影響導(dǎo)電特性。因此，晶態(tài)氧化物的優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)電特性的二維調(diào)制可以容易地在非金屬中間層的薄膜表面中形成，并且成分調(diào)制可以容易地在采用上述的Cu、Ag、Au、Ru、Ir、Pt和Os作為導(dǎo)電相元素的合金相的產(chǎn)生中形成。
在形成非金屬中間層時(shí)，通過采用上面提及的元素的合金，在多種情形下進(jìn)行氧化、氮氧化或氮化。用于進(jìn)行氧化、氮氧化或氮化的方法包括，例如其中簡(jiǎn)單地在沉積室中引入氧氣的自然氧化、其中在沉積室中引入氧氣并采用Ar或N2的離子輻照所沉積薄膜的離子輔助氧化(或氮氧化)、和其中采用氧(或氮)離子輻照所沉積薄膜的離子束氧化(或氮化)。
不一定地，兩個(gè)非金屬中間層可以在厚度和成分上彼此不同。
<金屬中間層>
金屬中間層由例如Al、Cu、Ag、Au、Ru、Ir、Pt或Os的金屬薄膜形成。從提高M(jìn)R比的角度考慮，最希望采用Cu薄膜。從氧化電阻的角度考慮，也希望采用Au、Pt、或Ru的薄膜。用于形成金屬中間層的元素需要與非金屬中間層含的元素相同。圖3和圖4涉及其中金屬中間層16和非金屬中間層15、17的導(dǎo)電相15a、17a由同一材料形成的情形。同時(shí)，金屬中間層16和非金屬中間層15、17的導(dǎo)電相15a、17a也可由不同材料形成，如圖5所示。在這種情形下，部分金屬中間層可以進(jìn)入非金屬中間層15、17的導(dǎo)電相15a、17a中，如圖5所示。
金屬中間層可由單層或多層形成。例如，可以設(shè)想采用Cu/Al/Cu或Au/Al/Au的疊層結(jié)構(gòu)，其中Al有低電子散射性質(zhì)并產(chǎn)生大的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度。在這種情形下，需要采用不可能氧化的金屬例如Au、Ru或Pt來形成接觸非金屬中間層的金屬中間層的部分。
金屬中間層的厚度需要為0.5nm或更大。如果金屬中間層的厚度小于0.5nm，則由沉積工序中引入的顆粒的能量導(dǎo)致其與上面或下面的非金屬中間層相混合。結(jié)果，中間金屬層處于被包括在非金屬中間層中的狀態(tài)。從而，金屬中間層不能分開兩個(gè)非金屬中間層，導(dǎo)致不能產(chǎn)生在減小Hin和提高擊穿電壓方面的效果。金屬中間層的厚度需要為20nm或更小。如果金屬中間層的厚度超過20nm，則在兩個(gè)非金屬層之間進(jìn)行彈道導(dǎo)電(ballistic conduction)的電子數(shù)量?jī)A向于減少。也就是說，自旋信息的保持由于自旋擴(kuò)散而降低，從而顯著地減小MR比。在金屬中間層的厚度不大于20nm的情形下，MR的減小適中。
不一定地，在非金屬中間層/金屬中間層的疊層的納米尺度區(qū)域中通過采用截面TEM觀察的EDX進(jìn)行成分分析的情形下，觀察到氧分布上的漸變。也就是說，非金屬中間層與金屬中間層之間清楚分辨不是嚴(yán)格必要的。類似地，金屬中間層和非金屬中間層之間也可能觀察到氧之外的其它元素的分布上的漸變(成分調(diào)制)。
<第一界面金屬層的效果>
在圖1所示的磁電阻薄膜中，第一界面金屬層18形成在自由層19和第一非金屬中間層17之間。第一界面金屬層18對(duì)自由層19的磁性變軟作出貢獻(xiàn)。更具體地，由于自由層19的(111)取向和晶體性質(zhì)因?yàn)榈谝唤缑娼饘賹?8從而釋放由點(diǎn)陣錯(cuò)配引起的薄膜應(yīng)力而改善，自由層19的矯頑力Hc降低。另一方面，如果自由層19直接與由氧化物、氮氧化物或氮化物形成的非金屬中間層17接觸，則自由層19傾向于受氧或氮的影響，從而其矯頑力增加。在這種情形下，需要在自由層19和第一非金屬中間層17之間形成第一界面金屬層18。
<第二界面金屬層的效果>
在圖1所示的磁電阻薄膜中，第二界面金屬層14形成在被釘扎層13和第二非金屬中間層15之間。第二界面金屬層14產(chǎn)生防止在氧化處理以形成第二非金屬中間層15期間被釘扎層13氧化的效應(yīng)。同時(shí)，在形成第二界面金屬層14的情形下，可以防止被釘扎層13在退火處理中被從第二非金屬層15擴(kuò)散的氧所氧化。因此，可以抑制被釘扎層13交換耦合場(chǎng)的退化。
同時(shí)，在界面金屬層/非金屬中間層/金屬中間層/非金屬中間層/界面金屬層的疊層的截面上沿垂直于薄膜表面的方向，可觀察到成分的漸變(成分調(diào)制)。更具體地，在采用截面TEM觀察的納米尺度成分分析中觀察到成分的清楚分開不總是必要的。特別是，在采用同一材料形成界面金屬層、非金屬中間層的導(dǎo)電相和金屬中間層的情形下，由截面TEM觀察到的相鄰層之間的界面可能是不清楚的。
<對(duì)自由層的解釋>
可以采用Co、Fe、Ni或含這些元素的合金作為構(gòu)成自由層的鐵磁性材料。典型地，對(duì)于自由層采用Co90Fe10合金、CoFeNi合金或Ni80Fe20合金(坡莫合金)。
自由層優(yōu)選具有面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)并取向?yàn)?111)面平行于薄膜表面，以表現(xiàn)出理想的軟磁性。不一定地，自由層的取向可以部分包括hcp(0001)取向或bcc(110)取向。
需要通過由硬磁性薄膜(硬偏置薄膜)或反鐵磁性薄膜(圖案化(patterned)的偏置薄膜)對(duì)自由層施加磁偏置(偏置控制)，控制自由層的各向異性和疇結(jié)構(gòu)。
<對(duì)被釘扎層的解釋>
可以采用例如Co90Fe10、Fe50Co50/Cu疊層薄膜或Ni80Fe20作為構(gòu)成被釘扎層的鐵磁性材料，類似于構(gòu)成自由層的材料。
對(duì)于被釘扎層可以具有所謂的“合成結(jié)構(gòu)”。合成被釘扎層的基本結(jié)構(gòu)是鐵磁性層/非磁性層/鐵磁性層的疊置結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)鐵磁性層通過插在二者之間的非磁性層彼此反鐵磁耦合。典型地，采用銣(Ru)作為非磁性層的材料。
通過上述的反鐵磁性層，被釘扎層的磁化被釘扎在一個(gè)方向。反鐵磁性層的材料包括含Pt、Ir、Rh、Ru或Pd的Mn基合金。典型的反鐵磁性材料包括PtMn合金、PtPdMn合金和IrMn合金。
實(shí)例現(xiàn)在將描述本發(fā)明的實(shí)例。
例1下電極薄膜10形成在Si(100)襯底上厚度約100nm，接著對(duì)下電極薄膜10采用光刻和干刻制作圖案。然后，在下電極10上沉積圖1所示結(jié)構(gòu)的CPP-SV薄膜，包括下文給出的層11至20(例1)。采用DC磁控濺射裝置沉積各層。
底層11Ta/Ru；反鐵磁性層12PtMn；被釘扎層13CoFe/Ru/CoFe；第二界面金屬層14Cu；第二非金屬中間層15AlCu的氧化產(chǎn)物(厚度0.7nm)；金屬中間層16Cu(2nm)；第一非金屬中間層17AlCu的氧化產(chǎn)物(厚度0.7nm)；第一界面金屬層18Cu；自由層19CoFe；保護(hù)層20Cu/Ta。
應(yīng)注意的是，在例1中，被釘扎層和自由層之間的中間層由第二界面金屬層(Cu)、第二非金屬中間層(氧化的AlCu)、金屬中間層(Cu)、第一非金屬中間層(氧化的AlCu)和第一界面金屬層(Cu)的疊層制成。
作為比較形成類似于例1的CPP-SV薄膜作為現(xiàn)有技術(shù)1a和現(xiàn)有技術(shù)1b，除了被釘扎層和自由層之間的中間層由第二界面金屬層(Cu)、非金屬中間層(氧化的AlCu層)和第一界面金屬層(Cu)制成。不一定地，現(xiàn)有技術(shù)1a的非金屬中間層通過氧化厚度0.7nm的AlCu薄膜來制備，現(xiàn)有技術(shù)1b的非金屬中間層通過氧化厚度1.0nm的AlCu薄膜來制備。
通過離子輔助氧化(IAO)進(jìn)行形成非金屬中間層的氧化，其中在室中引入氧氣，并用Ar離子輻照所沉積的薄膜。引入室中的氧的量控制在1kL至20kL的范圍內(nèi)。對(duì)這樣形成的CPP-SV薄膜采用光刻和離子研磨(ion milling)來制作圖案。CPP-SV薄膜的尺寸在0.2μm至5.0μm的范圍內(nèi)，并且制作圖案后的CPP-SV是正方形。然后形成上電極21。
對(duì)于例1、現(xiàn)有技術(shù)1a和現(xiàn)有技術(shù)1b中的每一個(gè)測(cè)量CPP-SV薄膜的磁特性、MR比和I-V特性。MR比由dR-R圖得到。更具體地，當(dāng)R繪制在X軸上dR繪制在Y軸上時(shí)，MR比定義成dR-R直線傾度乘以100。單位面積電阻RA由R-1/A圖計(jì)算出(其中A表示元件面積)。在這種情形下，當(dāng)在X軸繪制1/A而在Y軸繪制R時(shí)，單位面積電阻RA定義成R-1/A直線的傾度。
對(duì)于例1，發(fā)現(xiàn)MR比為2.7％，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)1a為2.5％。這樣，發(fā)現(xiàn)在MR比值上例1和現(xiàn)有技術(shù)1a基本上彼此相等。
對(duì)于例1，發(fā)現(xiàn)單位面積電阻RA為350mΩμm2，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)1a為300mΩμm2。在例1中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)單位面積電阻RA的增加可以在一定程度上受到抑制，從而在磁電阻元件可以在100Gbpsi或更高的超高記錄密度下用于磁頭的范圍(例如500mΩμm2或更小)內(nèi)。
圖6表示現(xiàn)有技術(shù)1a的R-H曲線，圖7表示例1的R-H曲線。從這些圖中可見，現(xiàn)有技術(shù)1a的偏移Hsh大約是30Oe。另一方面，例1的偏移Hsh降低至大約5Oe，證明本發(fā)明的磁電阻元件表現(xiàn)出很優(yōu)秀的特性。發(fā)現(xiàn)例1表現(xiàn)出基本上恰當(dāng)?shù)钠命c(diǎn)。
圖8表示現(xiàn)有技術(shù)1a和例1的I-V特性。在現(xiàn)有技術(shù)1a中，發(fā)現(xiàn)擊穿電壓VB大約是350mV。另一方面，例1的擊穿電壓VB改善至大約750mV。
在現(xiàn)有技術(shù)1b中，單位面積電阻RA高達(dá)例如約2.0Ωcm2。此外，MR比降低至1.5％。同時(shí)，在現(xiàn)有技術(shù)1b中，擊穿電壓VB是400mV，因此沒有觀察到明顯的改善。
例2至4和現(xiàn)有技術(shù)2至4采用AlCu合金的氧化物之外的其它材料用于形成非金屬中間層，通過形成類似于例1或現(xiàn)有技術(shù)1a的結(jié)構(gòu)的CPP-SV薄膜來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
更具體地，在例2至4中，被釘扎層和自由層之間的中間層由第二界面金屬層、第二非金屬中間層、金屬中間層、第一非金屬中間層和第一界面金屬層的疊層制成(對(duì)于非金屬中間層稱作雙層)。
另一方面，在現(xiàn)有技術(shù)2至4中，被釘扎層和自由層之間的中間層是第二界面金屬層、非金屬中間層和第一界面金屬層的疊層(對(duì)于非金屬中間層稱作單層)。
非金屬中間層的材料如下例2，現(xiàn)有技術(shù)2Cr90Cu10的氧化產(chǎn)物(厚度0.65nm)；例3，現(xiàn)有技術(shù)3(Cr0.9Cu0.1)97B3的氧化產(chǎn)物(厚度0.9nm)；例4，現(xiàn)有技術(shù)4(Cr0.9Cu0.1)95Hf3B2的氧化產(chǎn)物(厚度0.9nm)。
CPP-SV薄膜其它層的材料與例1相同。
表1示出了每一個(gè)CPP-SV薄膜的單位面積電阻RA、MR比和擊穿電壓(VB)。如表1所示，例2至4中的每一個(gè)可以提供500mV或更高的擊穿電壓(VB)。

現(xiàn)在將描述具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的磁電阻元件的磁頭和具有其中安裝該特定磁頭的磁記錄-再現(xiàn)裝置。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的磁電阻元件可以通過將磁電阻元件結(jié)合在例如讀-寫集成型磁頭組件中安裝在磁記錄-再現(xiàn)裝置中。
圖9是示意性表示磁記錄-再現(xiàn)裝置150的結(jié)構(gòu)的透視圖。磁記錄-再現(xiàn)裝置150是采用旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器的那種類型的裝置。如圖所示，垂直磁記錄盤片151安裝在軸152上，并根據(jù)由驅(qū)動(dòng)控制器(未示出)提供的控制信號(hào)由電動(dòng)機(jī)(未示出)沿箭頭A表示的方向旋轉(zhuǎn)。磁記錄-再現(xiàn)裝置150可以提供有多個(gè)盤片151。
在懸架154的頂端安裝用于在盤片151上寫入數(shù)據(jù)或從盤片151上讀出數(shù)據(jù)的頭滑塊153。在頭滑塊153的頂端上形成包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的磁電阻元件的磁頭。當(dāng)盤片151旋轉(zhuǎn)時(shí)，頭滑塊153的空氣支承面(ABS)在離盤片151的表面預(yù)定飛行高度上保持浮置。不一定地，磁記錄-再現(xiàn)裝置可以是接觸類型的，頭滑塊153與盤片151接觸。
懸架154連接到致動(dòng)器臂155的一端，在另一端上包括用于固定驅(qū)動(dòng)線圈(未示出)的線軸部分。音圈電機(jī)156設(shè)置在致動(dòng)器臂155的另一端上，該音圈電機(jī)是一種線性電機(jī)。音圈電機(jī)156包括繞在致動(dòng)器臂155線軸部分上的驅(qū)動(dòng)線圈(未示出)和永磁體和彼此相對(duì)設(shè)置的對(duì)置磁軛(counter yoke)，驅(qū)動(dòng)線圈夾在對(duì)置磁軛之間，其中這些部件構(gòu)成磁路。致動(dòng)器臂155由設(shè)置在樞軸157上部和下部的球軸承(未示出)固定，并可以由音圈電機(jī)156轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖10是以放大方式表示磁頭組件160的透視圖，從盤片側(cè)觀看。更具體地，磁頭組件160包括含有用于固定驅(qū)動(dòng)線圈的線軸部分的致動(dòng)器臂155，并且懸架154連接到致動(dòng)器臂155的一端上。具有包含根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的磁電阻元件的磁頭的頭滑塊153安裝在懸架154的頂端。懸架154包含用于寫入和讀出信號(hào)的引線164。引線164電連接到在頭滑塊153上形成的磁頭的每一個(gè)電極上。圖中所示的參考數(shù)字165表示磁頭組件的電極焊盤。根據(jù)本發(fā)明，采用包含上述磁電阻元件的磁頭，即使在顯著高于現(xiàn)有技術(shù)中的磁記錄密度下，也可以準(zhǔn)確讀出記錄在磁記錄盤片151上的數(shù)據(jù)。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易發(fā)現(xiàn)附加的優(yōu)點(diǎn)和修改。因此，本發(fā)明在其較寬方面不限于本文中所示和所描述的具體細(xì)節(jié)和代表性的實(shí)施方式。因此，可以進(jìn)行各種修改，而不背離如權(quán)利要求書及其等價(jià)物所限定的一般發(fā)明概念的精神或范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁電阻元件，包括磁電阻薄膜，所述磁電阻薄膜包括磁化被釘扎層、磁化自由層和非磁性中間層，磁化被釘扎層的磁化方向在外磁場(chǎng)中基本上固定，磁化自由層的磁化方向設(shè)置成在外磁場(chǎng)中改變，可改變的非磁性中間層形成在磁化被釘扎層和磁化自由層之間并具有第一非金屬中間層/金屬中間層/第二非金屬中間層的疊置結(jié)構(gòu)；以及一對(duì)電極，所述電極連接到磁電阻薄膜上，并設(shè)置成沿基本上垂直于磁電阻薄膜表面的方向提供電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻元件，其中所述金屬中間層的厚度在0.5nm至20nm的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻元件，其中所述第一非金屬中間層鄰近磁化自由層形成，并且，所述磁電阻元件還包括形成在磁化自由層和第一非金屬中間層之間的第一界面金屬層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻元件，其中所述第二非金屬中間層鄰近磁化被釘扎層形成，并且，所述磁電阻元件還包括形成在磁化被釘扎層和第二非金屬中間層之間的第二界面金屬層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻元件，其中所述金屬中間層包含選自Al、Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Ir和Os構(gòu)成的組中的至少一種金屬。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的磁電阻元件，其中所述第一界面金屬層包含選自Al、Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Ir和Os構(gòu)成的組中的至少一種金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的磁電阻元件，其中所述第二界面金屬層包含選自Al、Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Ir和Os構(gòu)成的組中的至少一種金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻元件，其中第一和第二非金屬中間層中的每一個(gè)具有其中在氧化物、氮氧化物或氮化物形成的絕緣相中形成柱狀導(dǎo)電相的結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的磁電阻元件，其中所述絕緣相包含選自B、Si、Ge、Ta、W、Nb、Al、Mo、P、V、As、Sb、Zr、Ti、Zn、Pb、Th、Be、Cd、Sc、La、Y、Pr、Cr、Sn、Ga、In、Rh、Pd、Mg、Li、Ba、Ca、Sr、Mn、Fe、Co、Ni、Rb和稀土金屬構(gòu)成的組中的至少一種元素的氧化物、氮氧化物或氮化物，并且，導(dǎo)電相包含選自Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Ir和Os構(gòu)成的組中的一種元素。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的磁電阻元件，其中所述柱狀導(dǎo)電相的尺寸是10nm或更小。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的磁電阻元件，其中在第一和第二非金屬中間層的每一個(gè)表面中所述導(dǎo)電相的面積比在1％至20％的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的磁電阻元件，其中第一和第二非金屬中間層中的所述導(dǎo)電相和金屬中間層由相同的材料形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的磁電阻元件，其中第一和第二非金屬中間層中的導(dǎo)電相和金屬中間層由不同材料形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻元件，還包括與磁化被釘扎層接觸形成的反鐵磁性層。
15.一種磁再現(xiàn)頭，包括，磁電阻薄膜，所述磁電阻薄膜包括磁化被釘扎層、磁化自由層和非磁性中間層，磁化被釘扎層的磁化方向在外磁場(chǎng)中基本上固定，磁化自由層的磁化方向設(shè)置成在外磁場(chǎng)中改變，可改變的非磁性中間層形成在磁化被釘扎層和磁化自由層之間并具有第一非金屬中間層/金屬中間層/第二非金屬中間層的疊置結(jié)構(gòu)；以及一對(duì)電極，所述電極連接到磁電阻薄膜上，并設(shè)置成沿基本上垂直于磁電阻薄膜表面的方向提供電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的磁再現(xiàn)頭，其中所述第一非金屬中間層形成到磁化自由層上，并且所述磁電阻元件還包括形成在磁化自由層和第一非金屬中間層之間的第一界面金屬層。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的磁再現(xiàn)頭，其中所述第二非金屬中間層鄰近磁化被釘扎層形成，并且所述磁電阻元件還包括形成在磁化被釘扎層和第二非金屬中間層之間的第二界面金屬層。
18.一種磁再現(xiàn)裝置，包括磁再現(xiàn)頭，所述磁再現(xiàn)頭包括磁電阻薄膜，所述磁電阻薄膜包括磁化被釘扎層、磁化自由層和非磁性中間層，磁化被釘扎層的磁化方向在外磁場(chǎng)中基本上固定，磁化自由層的磁化方向設(shè)置成在外磁場(chǎng)中改變，可改變的非磁性中間層形成在磁化被釘扎層和磁化自由層之間并具有第一非金屬中間層/金屬中間層/第二非金屬中間層的疊置結(jié)構(gòu)；以及一對(duì)電極，所述電極連接到磁電阻薄膜上，并設(shè)置成沿基本上垂直于磁電阻薄膜表面的方向提供電流。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的磁再現(xiàn)裝置，其中所述第一非金屬中間層形成到磁化自由層上，并且所述磁電阻元件還包括形成在磁化自由層和第一非金屬中間層之間的第一界面金屬層。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻元件，其中所述第二非金屬中間層鄰近磁化被釘扎層形成，并且所述磁電阻元件還包括形成在磁化被釘扎層和第二非金屬中間層之間的第二界面金屬層。
全文摘要
一種磁電阻元件，包括磁電阻薄膜，所述磁電阻薄膜具有磁化方向基本上被釘扎在一個(gè)方向的磁化被釘扎層；磁化自由層，所述磁化自由層的磁化方向可以根據(jù)外磁場(chǎng)自由改變；以及非磁性中間層，所述非磁性中間層形成在磁化被釘扎層和磁化自由層之間并具有第一非金屬中間層/金屬中間層/第二非金屬中間層的疊置結(jié)構(gòu)。所述磁電阻元件還包括一對(duì)電極薄膜，所述電極薄膜設(shè)置成允許電流沿基本上垂直于磁電阻薄膜表面的方向流動(dòng)并電連接到磁電阻薄膜上。
文檔編號(hào)H01L43/08GK1534605SQ20031012430
公開日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2003年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者吉川將壽, 高岸雅幸, 船山知己, 館山公一, 巖崎仁志, 福澤英明, 一, 己, 幸, 志, 明 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝