專利名稱：磁電阻元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種用于高精度地再現(xiàn)記錄于磁性記錄介質(zhì)上的磁 信息的磁電阻元件，特別涉及一種具有給出在磁電阻元件的厚度方向上 的讀出電流的CPP (電流垂直于平面)結(jié)構(gòu)的磁電阻元件。
背景4支術(shù) 、
具有在薄膜的厚度方向上流動的讀出電流的CPP型磁電阻元件通常 隨著元件尺寸的減小而增加該元件的輸出。這種CPP型磁電阻元件被期 望作為用于磁性記錄元件的高靈敏度再現(xiàn)元件，其在最近幾年具有迅速 增加的密度。
在使用自旋閥膜或者隧道結(jié)(tunneljunction)膜的磁電阻元件中， 自由層的磁化方向隨著來自磁性記錄介質(zhì)的信號磁場而改變。當(dāng)自由層 的磁化方向改變時，自由層的磁化方向與被固定層的被固定磁化方向之 間的相對角度也改變。該磁電阻元件檢測該相對角度，作為在磁電阻元 件中的一個改變。
在CPP型磁電阻元件中，由設(shè)置為與磁電阻效應(yīng)膜的上下表面相接 觸的端電極而給出在膜厚方向上的讀出電流。然后，磁電阻的改變被檢 測，以精確地再現(xiàn)或讀出來自磁性記錄介質(zhì)的信號磁場。在該CPP型磁 電阻元件中，在垂直于讀出電流流動的膜厚方向的方向上的元件面積越 小，則電阻的改變量越大。換句話說，讀出電流流動面積(截面面積) 越小，則電阻改變量越大。隨著電阻改變量變大，元件的輸出增加。但是，在使用常規(guī)光刻技術(shù)的干蝕方法中，上述截面面積的一側(cè)可
以凈皮減小到最小100納米。
為了突破該最小尺寸的限制，人們已經(jīng)提出由金屬和絕緣材料所制 成的混合層覆蓋該磁電阻效應(yīng)膜的外側(cè)的磁電阻元件。該混合層把讀出 電流集中到混合層的金屬部分。在該磁電阻元件中，讀出電流路徑在金 屬部分處變小，因此在磁電阻效應(yīng)膜中的讀出電流路徑變得小于實(shí)際元 件的截面面積，以增加輸出。
在上述結(jié)構(gòu)中，在磁電阻效應(yīng)膜中的讀出電流路徑被均勻地減少，
以增加該元件的輸出，但是該元件的電阻改變率(MR比)不能夠充分 增加。換句話說，由于在該結(jié)構(gòu)中，該元件電阻也增加，因此由于從該 元件產(chǎn)生的熱量而導(dǎo)致讀出電流值被限制，以及可以期望進(jìn)一步增加輸 出。
本發(fā)明的發(fā)明人研究一種用于減小在磁電阻效應(yīng)膜中流動的電流的 技術(shù)。為了減小讀出電流， 一個氧化層被作為電流路徑控制層插入在有 助于CPP型磁電阻效應(yīng)膜中的電阻改變的部分中，從而可以減小讀出電 流路徑的尺寸。通過該方法，可以隨著元件輸出的增加而增加MR比。
上述氧化層是通過濺射方法或者通過形成金屬然后使金屬在膜形成 腔或空氣中氧化而形成的。這種氧化層是不均勻形成的，并且不存在氧 化層的區(qū)域作為讀出電流路徑。在該方法中，在氧化層中的孔和膜厚的 不均勻性被用于減小讀出電流路徑的截面面積。但是，難以糾正該不均 勻性，以形成所需的讀出電流路徑。該困難將在下文參照圖l描述。


圖1集中示出形成在自旋閥膜中的自由層上的氧化膜的樣本的阻值。 圖1中的每一行示出讀出電流在CPP型磁電阻元件的膜厚方向上流動的 情況下的每個樣本的元件電阻。在該磁電阻元件中， 一個Cu(2nm)/Ta (lnm)金屬膜疊加在底部型自旋閥膜的自由層上，并且然后通過氧等 離子體方法在濺射膜形成腔中形成氧化層。在350Pax秒的條件下執(zhí)行氧 化處理。盡管在相同的條件下執(zhí)行對該樣本的氧化處理，最大元件阻值 幾乎比最小元件阻值大10倍。這是因?yàn)椴荒軌驅(qū)γ總€樣本均勻地形成氧 化層。如果一個氧化層被用作為用于讀出電流路徑的窄層，則應(yīng)當(dāng)使用一個被剝離的氧化層的不均勻性(在膜的內(nèi)表面上的缺陷部分、孔、或 氧化膜厚度)。這些結(jié)果示出糾正實(shí)際形成的氧化層的不均勻性是非常困 難的。因此，顯然需要進(jìn)一步的研究來保證釆用上述技術(shù)的元件特性的 穩(wěn)定性和產(chǎn)品的可靠性。發(fā)明內(nèi)容相應(yīng)地，本發(fā)明的一個總的目的是提供一種消除上述缺點(diǎn)的新型和 有用的磁電阻元件。本發(fā)明的更加具體的目的是提供一種CPP型磁電阻元件，其能夠確保增加元件的輸出，其限制電阻的不必要增加，并且與高密度的磁性記錄介質(zhì)相兼容。本發(fā)明的上述目的通過一種磁電阻元件而實(shí)現(xiàn)，其通過在磁電阻效 應(yīng)膜的厚度方向上給出讀出電流而檢測磁電阻的改變量，該磁電阻效應(yīng) 膜至少包括一個底層、 一個自由層、 一個非磁性層、 一個被固定層、一 個固定層和一個保護(hù)層，該磁電阻元件包括粒狀結(jié)構(gòu)層，該粒狀結(jié)構(gòu)層包 括導(dǎo)電顆粒和薄膜形式的絕緣基質(zhì)材料，該絕緣基質(zhì)材料包含處于分散 狀態(tài)的所述導(dǎo)電顆粒并且其厚度小于所述導(dǎo)電顆粒的顆粒直徑，該粒狀 結(jié)構(gòu)層鄰接于所述自由層和所述被固定層中的任何一個層。由于作為用于減小讀出電流的電流路徑控制層的包含導(dǎo)電顆粒的粒 狀結(jié)構(gòu)層被插入在上池磁電阻元件中的相鄰層之間，因此可以有效地增 加元件輸出。粒狀結(jié)構(gòu)層可以插入在被固定層和固定層之間，并且導(dǎo)電顆?？梢?由磁性金屬材料所制成，因?yàn)樗梢员３直还潭▽雍凸潭▽又g的交換 耦合，并且減小讀出電;M徑的直徑，從而可以確保增加元件輸出。本發(fā)明的上述目的還可以通過一種磁電阻元件而實(shí)現(xiàn)，其通過在至 少包括至少底層、自由層、非磁性層、被固定層、固定層和保護(hù)層的磁量，該磁阻磁電阻元件包括粒狀結(jié)構(gòu)層，其該粒狀結(jié)構(gòu)層包括導(dǎo)電顆粒 和薄膜形式的絕緣基質(zhì)材料，該絕緣基質(zhì)材料包含處于^t狀態(tài)的所述導(dǎo)電顆粒并且具有其厚度小于所述導(dǎo)電顆粒的顆粒直徑的厚度的薄膜形 式的絕緣基質(zhì)材料，該粒狀結(jié)構(gòu)層被插入在通過分割至少自由層、非磁 性層、和被固定層和固定層之一而形成的^皮分割層之間。由于作為用于減少讀出電流的電流路徑控制層的粒狀結(jié)構(gòu)層被插入 在磁電阻元件中的被分割層之間，因此可以有效地增加元件輸出。粒狀結(jié)構(gòu)層可以插入在自由層和被固定層的至少一個層面中，并且 導(dǎo)電顆?？梢杂纱判越饘俨牧纤瞥伞Ｔ摿罱Y(jié)構(gòu)層可以插入在非磁性 層中，并且導(dǎo)電顆?？梢杂煞谴判越饘俨牧纤瞥?，因?yàn)榭梢员３中纬?磁電阻元件的各個層面的原始功能并且減小讀出電流路徑的直徑，從而 可以確保增加元件輸出。本發(fā)明的上述目的還通過一種磁電阻元件而實(shí)現(xiàn)，其通過給出在磁 電阻效應(yīng)膜的厚度方向上的讀出電流而檢測磁電阻的改變量，該磁電阻 效應(yīng)膜至少包括一個底層、 一個自由層、 一個非磁性層、 一個被固定層、 和一個保護(hù)層，該磁電阻元件包括粒狀結(jié)構(gòu)層，該粒狀結(jié)構(gòu)層包括導(dǎo)電 顆粒和薄膜形式的絕緣基質(zhì)材料，該絕緣基質(zhì)材料包含處于^t狀態(tài)的 所述導(dǎo)電顆粒并且其厚度小于所述導(dǎo)電顆粒的顆粒直徑，該粒狀結(jié)構(gòu)層 為自由層、非磁性層、和被固定層中的至少一個。由于構(gòu)成磁電阻效應(yīng)膜的至少一個層面被形成為具有控制讀出電流的功能的粒狀結(jié)構(gòu)層，該元件輸出可以用與現(xiàn)有^L術(shù)中相同的層面結(jié)構(gòu) 而增加。該粒狀結(jié)構(gòu)層可以構(gòu)成自由層、被固定層和固定層，并且在該粒狀 結(jié)構(gòu)層中的導(dǎo)電顆?？梢杂纱判越饘俨牧纤瞥?。該粒狀結(jié)構(gòu)層可以構(gòu) 成非磁性層，并且在該粒狀結(jié)構(gòu)層中的導(dǎo)電顆?？梢杂煞谴判越饘俨牧?所制成，因?yàn)榭梢员３中纬纱烹娮柙母鱾€層面的原始功能，并且減 小讀出電流路徑的直徑，從而可以確保增加該元件輸出。 上i^磁電阻元件可以進(jìn)一步包括選自正向疊加(頂部型)自旋閥膜、反 向疊加(底部型)自旋閥膜，雙重類型自旋閥膜、鐵銷型(ferri-pin-type) 自旋閥膜、鐵銷雙重型自旋閥膜、以及隧道結(jié)膜，該膜被插入在磁電 阻效應(yīng)膜中。本發(fā)明的上述目的還通過一種磁性記錄器件而實(shí)現(xiàn)，其中包括作為 用于磁性再現(xiàn)的磁頭的本發(fā)明的一個上ii^磁電阻元件。通過該結(jié)構(gòu)，可以高精度在再現(xiàn)磁信息的磁性記錄器件具有安裝在 該磁性記錄器件上的高密度磁性記錄介質(zhì)。并且，用作為磁頭的磁電阻 元件可以增加磁性記錄器件的記錄密度。從下文結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將 變得更加清楚。附圖簡述圖1集中示出形成在現(xiàn)有技術(shù)的自旋閥膜中的自由層上的氧化膜的樣本的阻值；圖2示出插入在根據(jù)本發(fā)明的磁電阻元件中的粒狀結(jié)構(gòu)層；圖3示出粒狀結(jié)構(gòu)層^皮插入在由具有在正向方向上疊加的層面(頂 部型層面)的自旋閥膜所形成的磁電阻效應(yīng)膜的層間襯墊中的結(jié)構(gòu)；圖4示出由具有疊加在正向方向上的層面(頂部型層面)的自旋閥 膜所形成的磁電阻效應(yīng)膜的自由層被分為兩個層面并且一個粒狀結(jié)構(gòu)層 插入在兩個分割層之間的結(jié)構(gòu)；圖5示出由具有在正向方向上疊加的層面(頂部型層面)的自旋閥 膜所形成的磁電阻效應(yīng)膜的自由層作為一個粒狀結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)；圖6示出才艮據(jù)本發(fā)明的雙重型自旋閥膜的一個例子；圖7示出根據(jù)本發(fā)明的鐵銷型自旋閥膜的一個例子；圖8示出根據(jù)本發(fā)明的隧道結(jié)膜的一個例子；圖9示出金屬顆粒直徑、膜成份以及在粒狀結(jié)構(gòu)層和具有類似結(jié)構(gòu) 的膜中的熱處理溫度之間的關(guān)系；圖10示出具有覆蓋磁電阻效應(yīng)膜的外側(cè)的電流路徑控制層的常規(guī)元 件結(jié)構(gòu)與元件特性之間關(guān)系的一個例子；圖ll示 出在磁電阻效應(yīng)膜中的一個元件結(jié)構(gòu)和一種結(jié)構(gòu)的元件特性 之間的關(guān)系的一個例子，其中作為電流路徑控制層的粒狀結(jié)構(gòu)層被插入 在自由層與底層之間，以及在兩個分離的被固定層之間；以及圖12示出根據(jù)本發(fā)明的磁性記錄器件的主要部分。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明的發(fā)明人對減小讀出電流并且對CPP型磁電阻效應(yīng)膜中的電 阻改變具有貢獻(xiàn)的電流路徑控制層作進(jìn)一步的研究。本發(fā)明的CPP型磁電阻元件具有一個基本結(jié)構(gòu)，其具有作為電流路 徑控制層插入在磁電阻效應(yīng)膜中的粒狀結(jié)構(gòu)層。圖2示出這樣一種粒狀 結(jié)構(gòu)層GR。圖2- (A)為粒狀結(jié)構(gòu)層GR的整體結(jié)構(gòu)的示意圖，圖2-(B )為插入在上層1和下層2之間的粒狀結(jié)構(gòu)層的放大部分示圖。如圖 2- (A)中所示，粒狀結(jié)構(gòu)層GR包含在絕緣基質(zhì)材料MAT中處于^t 狀態(tài)的導(dǎo)電顆粒PAR。絕緣基質(zhì)材料MAT的膜厚th,即磁電阻效應(yīng)膜 的膜厚，通常小于導(dǎo)電顆粒PAR的顆粒直徑。導(dǎo)電顆粒通過粒狀結(jié)構(gòu)層 GR的表面暴露，從而該導(dǎo)電顆粒與上層1和下層2穩(wěn)定接觸。在這種結(jié) 構(gòu)中，讀出電流可以確保在膜厚方向上流動。相應(yīng)地，所需讀出電流路 徑可以通過在必要時調(diào)節(jié)導(dǎo)電顆粒的狀態(tài)而設(shè)計。粒狀結(jié)構(gòu)層GR的結(jié) 構(gòu)將在下文中更加具體地描述。該實(shí)施例的磁電阻效應(yīng)膜可以具有一種結(jié)構(gòu)，其中磁電阻效應(yīng)膜被 插入在兩個層面之間，或者插入在被分為兩層的特定層面中。另外，本 實(shí)施例的磁電阻效應(yīng)膜可以具有一種結(jié)構(gòu)，其中一個特定層面作為粒狀 結(jié)構(gòu)層?，F(xiàn)在參見圖3至5，其中示出所謂自旋閥膜被用作為一個磁電阻 效應(yīng)膜的結(jié)構(gòu)。圖3示出一種結(jié)構(gòu)，其中粒狀結(jié)構(gòu)層插入在由在正向方向上疊加的 自旋閥膜(頂部型自旋閥膜)所構(gòu)成的磁電阻效應(yīng)膜IO中。磁電阻效應(yīng) 膜10包括底層11、自由層12、非磁性層13、被固定層14、固定層15 和保護(hù)層16,它們按該次序疊加在一個基片(未示出)上。本實(shí)施例的磁電阻效應(yīng)膜10可以具有插入在上述層面11至16的層 間襯墊MA1至MA5中的至少一個粒狀結(jié)構(gòu)層GR。為了確保減小用于 讀出電流的路徑的直徑，最好在不同的層間襯墊中插入兩個或多個粒狀結(jié)構(gòu)層GR。在確保減小在磁電阻改變檢測位置處的讀出電流路徑的直徑 的結(jié)構(gòu)中，粒狀結(jié)構(gòu)層GR被插入在底層11和自由層12之間的層間襯 墊MA1中，以及在被固定層14和固定層15之間的層間村墊MA4中。插入在層間襯墊MA1中的粒狀結(jié)構(gòu)層GR包含導(dǎo)電金屬顆粒，其最 好由絕緣基質(zhì)材料MAT所制成，以在薄膜形成時增加自由層12的結(jié)晶 度和方向性。粒狀結(jié)構(gòu)層GR可以具有^t在其中的導(dǎo)電和磁性金屬顆 粒、以在形成薄膜之后與自由層12整合。插入在層間襯墊MA4中的粒狀結(jié)構(gòu)層GR需要保棒故固定層14與 固定層15之間的反鐵磁結(jié)合。為此，金屬顆粒最好由磁性材料所制成。 這種導(dǎo)電和磁性的粒狀結(jié)構(gòu)層GR可以與被固定層14或固定層15整合。粒狀結(jié)構(gòu)層GR還可以插入在自由層12和非磁性層13之間的層間 襯墊MA2中，或者在被固定層14與非磁性層13之間的層間襯墊MA3 中。插入在層間襯墊MA2中的粒狀結(jié)構(gòu)層GR可以包含與自由層12整 合的磁性金屬顆粒，或者可以包含與非磁性層13整合的非磁性金屬顆粒。 這同樣適用于插入在層間襯墊MA3中的粒狀結(jié)構(gòu)層GR。換句話說，每 個粒狀結(jié)構(gòu)層GR與在層面插入之前的相鄰層之間的關(guān)系保持在圖3所 示的結(jié)構(gòu)中。圖3中所示的磁電阻效應(yīng)膜10按照與現(xiàn)有技術(shù)相同的方式使用光刻 技術(shù)而制造。下文所述的還以相同的方式突出。盡管圖3中所示的自旋 閥膜具有在正向方向上疊加的層面(頂部型層面)，但是該實(shí)施例還可以 應(yīng)用于具有在反向方向疊加的層面(底部型層面)，自由層11被置于頂 部。圖4示出由具有在正向方向的層面(頂部型層面)的自旋閥膜形成 磁電阻效應(yīng)膜20的自由層的結(jié)構(gòu)，以及一個粒狀結(jié)構(gòu)層被插入在該分離 層面之間。應(yīng)當(dāng)指出與圖3中所示相同的部件由相同的參照標(biāo)號所表示， 在此將省略對這些部件的描述。磁電阻效應(yīng)膜20的自由層被分為第一 自由層22和第二自由層21， 以及粒狀結(jié)構(gòu)層GR被插入在第一 自由層22和第二自由層21之間。利 用在自由層之間的粒狀結(jié)構(gòu)層，電流路徑控制層可以有效地減小讀出電流路徑的直徑。為了確保減小讀出電流路徑的直徑、該固定層14還可以 被分為兩個層面，并且粒狀結(jié)構(gòu)層GR被插入在兩個層面之間。
當(dāng)自由層和被固定層都被如上文所述插入在每兩個被分隔層之間的 粒狀結(jié)構(gòu)層GR分為兩個層面時，例如圖3中所示的實(shí)施例中，導(dǎo)電或 磁性材料應(yīng)當(dāng)被用作為金屬顆粒，從而被分割的上和下層面可以保持原 始功能。并且，非磁性層15可以被分為兩個層面，使粒狀結(jié)構(gòu)層GR被 插入在該兩個層面中。在這種情況中，最好采用非磁性材料作為金屬顆 粒，來取代磁性材料。
盡管在圖4中示出具有在正向方向上疊加的層面(頂部型層面)的 自旋閥膜，但是本實(shí)施例可以應(yīng)用于具有在反向方向上疊加的層面(底 部型層面)的自旋閥膜，使自由層ll被置于頂部。
圖5示出由具有在正向方向上疊加的層面(頂部型層面)的自旋閥 膜所形成的磁電阻效應(yīng)膜30的自由層作為一個顆粒結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)。在圖 3和4中所示的結(jié)構(gòu)中，粒狀結(jié)構(gòu)層GR被添加在該層面之間。在圖5 中所示的結(jié)構(gòu)中，另一方面該自由層31作為一個粒狀結(jié)構(gòu)層GR。相應(yīng) 地，粒狀自由層31作為一個自由層和一個電流路徑控制層。如果被固定 層14還作為一個粒狀結(jié)構(gòu)層GR，則與現(xiàn)有凈支術(shù)相同，兩個電流路徑控 制層可以形成在相同的層面結(jié)構(gòu)中。因此，可以獲得確保減小讀出電流 路徑的直徑的磁電阻效應(yīng)膜。
非磁性層13還作為一個粒狀結(jié)構(gòu)層GR。在圖5所示的例子中，如 果一個磁性層作為粒狀層GR，則磁性金屬顆粒被采用，以獲得磁性層的 原始功能。如果非磁性層作為粒狀結(jié)構(gòu)層GR,則非磁性金屬顆粒被采用， 以獲得非磁性層的原始功能。
盡管具有在正向方向上疊加的層面(頂部型層面)的自旋閥膜在圖 5中被示出為磁電阻效應(yīng)膜，但是該實(shí)施例還應(yīng)用于具有在反向方向上 疊加的層面(底部型層面)的自旋閥膜，并且自由層ll被置于頂部。
在圖3至5中所示的實(shí)施例可以組合。例如，粒狀結(jié)構(gòu)層可以被插 入在兩個分離的自由層之間，并且另一個粒狀結(jié)構(gòu)層被插入在固定層和 被固定層之間。圖6至8示出根據(jù)本發(fā)明可以被用作為磁電阻效應(yīng)膜的受限制結(jié)構(gòu) 的其它例子。圖6示出一個雙重型自旋閥膜，其具有在垂直方向上對稱地疊加的 非磁性層42-1和42-2、被固定層43-1和43-2以及固定層44-1和44-2， 并且自由層41位于中央。圖3至5中所示的任何實(shí)施例還可以被應(yīng)用于 這種雙重型自旋閥膜。圖7示出所謂的鐵銷型自旋閥膜，其具有一個鐵銷結(jié)構(gòu)，其中包括 自由層51、非磁性層52和固定層55，并且第一被固定層53-2和第二被 固定層53-1 M鐵耦合層54相互結(jié)合。圖3至5中所示的任何實(shí)施例 還被應(yīng)用于這種具有鐵銷的自旋閥膜。圖8示出所謂的隧道結(jié)膜，其中包括自由層61、絕緣層62、被固定 層63和固定層64。圖中所示的任何實(shí)施例還被應(yīng)用于這種隧道結(jié)膜。在下文中，將更加具體地描述上述粒狀結(jié)構(gòu)層。該粒狀結(jié)構(gòu)層包括 不同類型的非固體材料，并且具有以M在另 一個絕緣基質(zhì)材料中的微 粒形式的導(dǎo)電金屬材料。該絕緣基質(zhì)材料可以是一種氧化物，例如SiO、 MgO或AlO。在該 粒狀結(jié)構(gòu)層中，導(dǎo)電金屬柱形成在絕緣部件中，并且該柱體作為一個讀 出電流路徑。該金屬#^立的直徑可以通過選擇適當(dāng)?shù)牟牧?、適當(dāng)?shù)哪ば?成方法、以及熱處理方法而調(diào)節(jié)。可以在本實(shí)施例中采用的導(dǎo)電金屬微 粒包括Cu、 Ag和Au。具有磁性的金屬微粒的其它例子包括Co、 Ni和 Fe。如在由M.Ohnuma、 K. Hono、 E. Abe、 H. Onodera、 S. Mitani和 H. Fujimori發(fā)表的J. Appl. phys.， 82(11)5646(1997)文章中所公開，通過 采用Co-Al-O材料，金屬柱體的直徑可以小到幾納米。通過使用常規(guī)光 刻技術(shù)的干蝕方法，讀出電流路徑的尺寸最小為100納米。相反，通過 釆用粒狀結(jié)構(gòu)層作為電流路徑控制層，讀出電流路徑的截面面積可以減 小到大約常規(guī)尺寸的1/400。由D.J.Kubinski和H.Holloway所發(fā)表的J. Appl. phys.， 77(6) 2508(1995)文章中公開金屬微粒直徑、模成份以及在具有結(jié)構(gòu)類似于本實(shí)施例的粒狀結(jié)構(gòu)膜的結(jié)構(gòu)膜中的熱處理溫度之間的關(guān)系。圖9示出該關(guān) 系。在類似于具有Ag材料作為粒狀結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)中，金屬微粒直徑隨著 金屬微粒材料(Fe、 Co或Ni)的成份比或熱處理溫度而系統(tǒng)地改變。 從圖9中所示的結(jié)果可知，顯然通過選擇用于由不同材料所形成的粒狀 結(jié)構(gòu)層的適當(dāng)形成方法，可以調(diào)節(jié)金屬顆粒直徑，并且可以確定對于讀 出電流路徑的可控制性比用上述使用氧化層的方法的可控制性更高。 在下文中，將描述本發(fā)明的另一個優(yōu)選實(shí)施例。在該實(shí)施例中，粒效應(yīng)膜中的兩個分離的被固定層之間。作為與該實(shí)施例的一個對比例，子。圖10示出具有在磁電阻效應(yīng)膜外側(cè)的電流路徑控制層的常規(guī)軟件結(jié) 構(gòu)70與元件特性之間的關(guān)系的一個例子。圖11示出元件結(jié)構(gòu)80和一種 結(jié)構(gòu)的元件特性之間的關(guān)系的一個例子，其中粒狀結(jié)構(gòu)層被作為電流路 徑控制層插入在自由層和底層之間以及在本實(shí)施例的磁電阻效應(yīng)膜中的 兩個分離的被固定層之間。圖10和11示出在磁電阻效應(yīng)膜中的電流路徑控制層的位置、讀出 電流路徑直徑減小的元件的電阻(R)、電阻改變量(AR)和電阻改變率 (MR比)的比較。在圖lO和ll中，每個元件的層面結(jié)構(gòu)在左側(cè)示出， 電阻(R)、電阻改變量(AR)、以及電阻改變率(MR比)集中地在右 側(cè)示出。在圖10和11中所示的例子中的磁電阻效應(yīng)膜是標(biāo)準(zhǔn)的自旋閥膜， 其具有如下結(jié)構(gòu)。具有5納米的厚度的Ta (平面具體電阻180jincm ) 膜被用作為底層(緩沖層)和保護(hù)層(間隙層)。具有15納米厚度的 PdPtMn (具體電阻200jiQcm )膜被用作為固定層。具有2納米厚度的 CoFeB膜被用作為被固定層。具有3納米厚度的Cu膜被用作為非磁性 層。具有2納米厚度的NiFe膜或者具有2.5納米厚度的CoFeB膜被用作 為自由層。通it^CIP模式中測量的整個薄膜的具體電阻(60nllcm) 中減去底層、保護(hù)層和固定層的具體電阻而計算隨著在自由層、非磁性層和^L固定層中的電阻變化的具體電阻。該計算結(jié)果大約為30jtncm。假設(shè)上述具體電阻是在膜厚方向上，則計算ljim2的截面面積的電 阻。其結(jié)果大約為51mftnm2。由具有該薄膜結(jié)構(gòu)的自旋閥膜所形成的 CPP結(jié)構(gòu)元件的電阻改變?yōu)閙Qnm2。在此，計算具有在圖10和11中 所示的電流路徑控制層的結(jié)構(gòu)的電阻、電阻改變量和電阻改變比。利用 該電流路徑控制層，該元件的讀出電流路徑的直徑假i殳4皮減小到1/10。在該常規(guī)結(jié)構(gòu)中，其中電流路徑控制層形成在圖10中所示的磁電阻 效應(yīng)膜的外側(cè)，在磁電阻效應(yīng)膜中的電阻改變量變大為10倍，因此輸出 增加。但是，該電阻也變大10倍。相應(yīng)地，電阻改變率(MR比)為1， 保持不變。同時，在該實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，其中電流路徑控制層被插入在圖11中 所示的磁電阻效應(yīng)膜中，該電流路徑控制層被置于被固定層、非磁性層 和自由層的附近，其有助于實(shí)際磁電阻效應(yīng)。在此，按照與圖10中所示 的常規(guī)例子相同的方式而增加電阻改變量。電阻僅僅在具有相對較小電 阻的被固定層、非直徑層和自由層處增加。另一方面，該電阻不在底層、 固定層和保護(hù)層處增加。其結(jié)果示出整個薄膜的電阻大約變?yōu)楸仍诓粶p小讀出電流路徑的直徑的情況中的電阻大1.5倍。相應(yīng)地，具有這種結(jié)構(gòu)的磁電阻效應(yīng)膜的電 阻改變率(MR比)增加并且變?yōu)楸瘸Ｒ?guī)結(jié)構(gòu)中約大6.6倍。并且，要被 插入的粒狀結(jié)構(gòu)層的金屬微粒的直徑被成比例地控制，以減小元件輸出。 在有助于實(shí)際薄膜電阻改變的部分處的讀出電流路徑被減小，以增加該 薄膜的電阻改變量和電阻改變率。該元件輸出部分地取決于讀出電流值。但是，隨著由于元件發(fā)熱而 造成的性能下降，該讀出電流值應(yīng)當(dāng)由電阻所確定。從這一觀點(diǎn)來看， 從該實(shí)施例的與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比具有較小的薄膜電阻增加量的磁電阻元件 可以期望獲得輸出的進(jìn)一步增加。盡管在上述用于比較的元件結(jié)構(gòu)中釆用標(biāo)準(zhǔn)的單一型自旋閥膜，但 是從包含上述鐵型被固定層或者雙重層自旋閥膜的結(jié)構(gòu)可以期望獲得相 同的效果。在這種情況中，把電流路徑控制層插入在上下被固定層中是有效的。并且，盡管效果略有下降，但是在電流路徑控制層被插入在非 磁性層或自由層的情況中可以獲得類似效果。在上述結(jié)構(gòu)中，兩個電流路徑控制層被插入。盡管與采用兩個電流 路徑控制層的情況相比效果略為減小，但是在僅僅采用 一個電流路徑控 制層的情況中，讀出電流路徑的直徑在電流路徑控制層的附近凈皮減小， 并且可以獲得用于增加元件輸出的充分效果。在這種情況中，電流路徑 控制層還應(yīng)當(dāng)被插入在被固定層、非磁性層或者自由層中，其有助于磁 電阻的改變。另外，電流路徑控制層應(yīng)當(dāng)被插入在這些層面的附近。如果電流路徑控制層被插入在分離的被固定層之間，則需要避免用 于固定被固定層的磁化的固定力的減小，即所謂的單方向性各向異性磁場Hua。為此，粒狀材料和膜厚應(yīng)當(dāng)在直線上用單方向性的各向異性磁 場Hua來優(yōu)化。在自由層被分為兩個自由層的情況中，當(dāng)前路徑控制層被插入在兩 個自由層之間，還需要避免自由層的性能下降。如果插入在自由層之間 的電流路徑控制層對自由層的性能具有不良影響，則具有相對較高電阻 的結(jié)合屏蔽層應(yīng)當(dāng)插入在電流路徑控制層與每個自由層之間，從而可以 消除對自由層的不良影響。對于非磁性層被分為兩個層面以及電流路徑控制層被插入在該兩個 層面之間的情況，采用與CIP結(jié)構(gòu)膜不同的對于電流沒有旁路效果的 CPP結(jié)構(gòu)元件則不存在問題。CPP型磁電阻元件的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被具體描述。任何這些CPP型磁電阻 元件可以被用作為磁性記錄設(shè)備中的磁頭，并且可以代替以高精度記錄 在磁性記錄介質(zhì)上的再現(xiàn)磁信息。在下文中，將簡要地描述具有上述實(shí) 施例的一個磁電阻元件作為磁頭的磁性記錄設(shè)備。圖12示出磁性記錄設(shè) 備的主要部分。作為磁性記錄介質(zhì)的硬盤110被旋轉(zhuǎn)安裝在磁性記錄設(shè) 備100上。利用在硬盤110的表面上的預(yù)定浮動量，例如圖11中所示的 CPP型磁電阻元件80被用作為用于執(zhí)行磁性再現(xiàn)操作的磁頭。該磁頭 80被固定到位于一個懸壁120的頂端處的滑塊130的前端。作為普通傳 動器和電磁微動傳動器的組合的兩極傳動器可以被用作定位該磁頭80。盡管磁頭80被用于在本實(shí)施例中進(jìn)行再現(xiàn)，但是顯然在與相互作用 的薄膜磁頭的組合中所用的磁頭80可以作為一個記錄和再現(xiàn)頭。本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，而是可以作出各種變化和改變而不脫離 本發(fā)明的范圍。本申請基于在2001年12月27日遞交的日本在先專利申請 No.2001-359310,其全部內(nèi)容包含于此以供參考。
權(quán)利要求
1.一種磁電阻元件，其通過給出在磁電阻效應(yīng)膜的厚度方向上的讀出電流而檢測磁電阻的改變量，該磁電阻效應(yīng)膜至少包括一個底層、一個自由層、一個非磁性層、一個被固定層、和一個保護(hù)層，該磁電阻元件包括粒狀結(jié)構(gòu)層，該粒狀結(jié)構(gòu)層包括導(dǎo)電顆粒和薄膜形式的絕緣基質(zhì)材料，該絕緣基質(zhì)材料包含處于分散狀態(tài)的所述導(dǎo)電顆粒并且其厚度小于所述導(dǎo)電顆粒的顆粒直徑，該粒狀結(jié)構(gòu)層為自由層、非磁性層、和被固定層中的至少一個層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的磁電阻元件，其中 該粒狀結(jié)構(gòu)層構(gòu)成自由層和被固定層，以及 在該粒狀結(jié)構(gòu)層中的導(dǎo)電顆粒由磁性金屬材料所制成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的磁電阻元件，其中 該粒狀結(jié)構(gòu)層構(gòu)成非磁性層，以及 在該粒狀結(jié)構(gòu)層中的導(dǎo)電顆粒由非磁性金屬材料所制成。
全文摘要
一種磁電阻元件，其通過在磁電阻效應(yīng)膜的厚度方向上給出讀出電流而檢測磁電阻的改變量，該磁電阻效應(yīng)膜至少包括一個底層、一個自由層、一個非磁性層、一個被固定層、一個固定層和一個保護(hù)層，該磁電阻元件包括粒狀結(jié)構(gòu)層，該粒狀結(jié)構(gòu)層包括導(dǎo)電顆粒和薄膜形式的絕緣基質(zhì)材料，該絕緣基質(zhì)材料包含處于分散狀態(tài)的所述導(dǎo)電顆粒并且其厚度小于所述導(dǎo)電顆粒的顆粒直徑，該粒狀結(jié)構(gòu)層鄰接于所述自由層和所述被固定層中的任何一個層。
文檔編號H01L43/08GK101222017SQ200710199179
公開日2008年7月16日 申請日期2002年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月27日
發(fā)明者清水豊, 瀨山喜彥, 田中厚志, 菅原貴彥, 長坂惠一 申請人:富士通株式會社