专利名称：磁阻效应元件、磁头、磁性再现装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种磁阻效应元件、磁头、磁性再现装置，以及其制造方法，其中，感应电流以 与磁阻效应膜的膜面垂直的方向流入。
背景技术：
磁阻效应元件被用于磁探头、磁头(MR磁头)、MRAM、 DNA-MR芯片等，其应用已经被 研究(参照APPLIED PHYSICS LETTERS 87:0139012005、和正E Proc,Circuits Devices Syst:152 巻，4期，2005年8月)。MR磁头被安装在磁性再现装置上，于是从磁记录介质比如硬盘驱动 器中读取信息。
通过使用自旋阀膜实现较大磁阻效应的实施例被报道。自旋阀膜是具有夹层结构的多层膜， 其中非磁性层被两个铁磁层夹在中间。铁磁层中的一个层的磁化方向由反铁磁层中的交换偏置磁 场固定，该层被称作"固定层"或"磁化固定层"。另一铁磁层的磁化方向可随外磁场(信号磁 场等)旋转，它被称作"自由层"或"磁化自由层"。非磁性层被称作"间隔层"或"中间层"。 这两个铁磁层的磁化方向的相对角随外磁场变化，从而能获得较大的磁阻效应。
此处，在使用自旋阀膜的磁阻效应元件中有CIP (电流在平面内)型和CPP (电流垂直于平 面)型。在前者情况中，感应电流以与自旋阀膜的膜面平行的方向流入，在后者情况中，感应电 流以与自旋阀膜的膜面垂直的方向流入。
近年来，通过使用磁微耦合，在Ni网线之间观察到具有较高磁阻率的磁阻效应(参照Phys. Rev. Lett. 82: 2923 (1999))。此夕卜，已经对其中磁微耦合扩展到三维结构的磁阻效应元件进行 了研究(参照JP-A2003-204095 (KOKAI))。在专利文献l中，公开了 EB (电子束)辐照工艺、 FIB (聚焦离子束)辐照工艺、AFM (原子力显微镜)技术等作为三维方向中的纳米接触型制造
方法，即作为穿孔方法。
发明内容
可以设想通过磁化强度的迅速改变来在磁微耦合点处产生磁阻效应。g卩，它导致较高的磁阻 效应，从而使磁微耦合点处形成的磁畴变窄。作为使磁畴宽度变窄的间接方法，可以用其使磁微 耦合点的直径(复合间隔层内部的铁磁性金属部分的直径)变小。然而，如果磁微耦合点的直径 做的过小，那么阻力有可能变得过大。
考虑到上述问题，本发明的目的在于提供一种电流垂直于平面型磁阻效应元件、磁头、磁性 再现装置，以及其制造方法，其中在使用铁磁性纳米接触的磁致电阻中可同时使其具有足够的电 阻值和高电阻变化率。
一种根据本发明的磁阻效应元件，包括磁阻效应膜，包括磁化固定层，该层具有其磁化 方向被特定地固定在一个方向上的第一铁磁性膜；磁化自由层，该层具有其磁化方向随外磁场变 化的第二铁磁性膜；以及间隔层，该层设置在磁化固定层和磁化自由层之间，具有绝缘层和渗入 绝缘层的铁磁性金属部分； 一对电极，以与磁阻效应膜的膜面垂直的方向施加感应电流；以及一 层包含非铁磁性元素的层，该层设置在磁化固定层内部和磁化自由层内部中的至少一个上。
一种根据本发明的磁阻效应元件的制造方法，包括形成第一磁层；形成间隔层，包括如下 步骤在第一磁层上形成第一金属层，接着对第一金属层进行处理，然后氧化第一金属层；以及 在间隔层上形成第二磁层，其中，形成第一磁层和第二磁层的步骤中的一步包括形成包含非铁磁 性元素的层。
图1所示为根据本发明的一个实施方式的磁阻效应元件的剖面图； 图2A所示为在复合间隔层附近的磁阻效应元件的剖面图； 图2B所示为在复合间隔层附近的磁阻效应元件的剖面图； 图2C所示为在复合间隔层附近的磁阻效应元件的剖面图； 图3A所示为模拟条件的示意图3B所示为在铁磁性金属层附近沿厚度方向的距离与磁化角变化之间的关系图； 图3C所示为复合间隔层的直径或厚度与磁化变化度之间的关系图； 图4A所示为在插入畴壁限制层时磁化强度的空间分布图4B所示为在不插入畴壁限制层吋磁化强度的空间分布图； 图5所示为距离-磁化特性的关系图6所示为畴壁限制层的位置和最大磁化强度之间的关系图； 图7所示为磁阻效应元件的制造工艺的一个实施例的流程图 图8所示为磁阻效应元件的磁致电阻的MR比的领懂结果的图表；
图9所示为其中根据本发明的实施方式的磁阻效应元件被结合到磁头中的状态的示意图； 图10所示为其中根据本发明的实施方式的磁阻效应元件被结合到磁头中的状态的示意图； 图11所示为例举的磁记敦再现装置的系统结构中的主要部分的透视图；以及 图12所示为其中从磁盘顶晒观察驱动臂中的尖部处的磁头悬架组件的剖面透视图。
具体实施例方式
接下来，参照附图对本发明的实施方式进行详细地说明。图l所示为根据本发明的一个实施
方式的磁阻效应元件10的剖面图。
磁阻效应元件10包括下电极LE、上电极UE、和设置在它们之间的复合薄膜(磁阻效应膜)。 该叠层膜包括基层11、反铁磁层12、复合固定层13 (固定层131、磁化反平行耦合层132和固 定层133)、复合间隔层14、自由层15、和保护层16。此处，复合固定层13、复合间隔层14、 以及自由层15总体上为自旋阀膜。
这些下电极LE和上电极UE以与自旋阀膜近似垂直的方向施加感应电流。艮P，磁阻效应元 件10是CPP (电流垂直于平面)型元件，其感应电流以与元件膜面垂直的方向流入。
基层ll可以设定为，例如，由缓冲层lla和晶种层llb构成的双层结构。缓冲层lla是用于 减缓下电极LE表面的粗糙度的层，例如，可以使用Ta、 Ti、 W、 Zr、 Hf、 Cr、或上述金属的合 金。晶种层1 lb是用于控制自旋阀膜的结晶取向的层，可以使用Ru、 (FexNho^)K^yXy (X = Cr、 V、 Nb、 Hf、 Zr、 Mo， 15<x<25， 20<y<45)。
通过向复合固定层13施加单向各向异性而具有固定磁化方向作用的反铁磁性材料(例如， PtMn、 Pdmin、 IrMn、 RuRhMn)被用于反铁磁层12。
复合固定层(磁化固定层)13具有其磁化方向被特定地固定的铁磁性薄膜(此处为固定层 131、 133)。复合固定层13包括两个固定层(磁化固定层)131、 133、和设置在它们之间的磁 化反平行耦合层132。此外，可以用单个固定层代替复合固定层13。
磁化反平行耦合层132中的上固定层131和下固定层133发生磁耦合，于是其磁化方向经磁
通过向复合固定层13施加单向各向异性而具有固定磁化方向作用的反铁磁性材料(例如， PtMn、 PdPtMn、 IrMn、 RuRhMn)被用于反铁磁层12。
复合固定层(磁化固定层)13具有其磁化方向被特定地固定的铁磁性薄膜(此处为固定层 131、 133)。复合固定层13包括两个固定层(磁化固定层)131、 133、和设置在它们之间的磁 化反平行耦合层132。此外，可以用单个固定层代替复合固定层13。
磁化反平行耦合层132中的上固定层131和下固定层133发生磁耦合，于是其磁化方向经磁 化反平^l亍耦合层132变成反平行的。铁磁性材料(例如，Fe、 Co、 Ni、 FeCo合金、FeNi合金) 被用于固定层131、 133。磁化反平行耦合层132反铁磁性地耦合固定层131、 133，例如，可以 使用Ru、 Ir、 Rh。
复合间隔层14包括绝缘层141和铁磁性金属层(铁磁性金属部分)142。
绝缘层141可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物等，这些化合物包含选自于Al、 Mg、 Li、 Si、 Ca、 Sc、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Ga、 Se、 Sr、 Y、 Zr、 Nb、 Mo、 Pd、 Ag、 Cd、 In、 Sn、 Sb、 Ba、 Ka、 Hf、 Ta、 W、 Re、 Pt、 Hg、 Pb、 Bi、和镧系元素中的至少 一种。于是具有绝缘作用的材料可用于绝缘层141。
铁磁性金属层142是使电流以与复合间隔层14垂直的方向流入的通路，可以使用铁磁性材 料比如Fe、 Co、 Ni、或由合金构成的金属层。将与固定层133的磁化方向相反的磁场施加到自 由层15上，当自由层15的磁化方向沿磁场方向时，固定层133和自由层15之间的磁化方向变 成反平行的。在此情况下，铁磁性金属层142被两个磁化方向不同的铁磁层(固定层133、自由 层15)夹在中间，于是在铁磁性金属层142处产生畴壁DW。
如图1所示，铁磁性金属层142的直径沿层方向不一定相同(图1中下部处的宽度大于上部 处的宽度)。在此情况下，可以用沿层方向的平均值作为铁磁性金属层142的直径d的代表值。
在本实施方式中，复合间隔层14的直径d与厚度t之间的比值(长宽比)设定的较大。例如， 将厚度t设定为lnm，直径d设定为3nm (长宽比变成3)。此处，直径d设定的较大，从而防 止磁阻元件的电阻值增加。
自由层(磁化自由层)15是具有其磁化方向随外磁场变化的铁磁性材料(例如，Fe、 Co、 Ni 、 FeCo合金、FeNi合金)的层。此外，自由层15可以具有其内层叠了多个层的叠层结构。
保护层16具有保护自旋阀膜的作用。保护层16可以是，例如，多个金属层，比如Cu/Ru双 层结构或Cu/Ta/Ru的三层结构。 (畴壁限制层17)
在本实施方式中，通过畴壁限制层17限制畴壁DW的厚度入，于是较易将畴壁自身的电阻值 和其磁阻率设置成适宜值。在本实施方式中，将畴壁限制层17设置在复合间隔层14的附近，具 体地说，将其设置在固定层133和自由层15中的一个或两个上。畴壁限制层17可以设置在多个 层中，而不限于设置在一层中。
畴壁限制层17是包含非铁磁性元素的层。g卩，畴壁限制层17不具有铁磁性，从而阻止铁磁 性耦合的传递，于是限制了畴壁DW的厚度。畴壁限制层17减弱了在复合间隔层14和固定层 133之间、或在复合间隔层14和自由层15之间的铁磁性耦合。至于非铁磁性元素，可以使用除 Fe、 Co、 Ni之外位于周期表中的所有元素。其中，例如，优选这些元素比如H、 C、 N、 O、 F、 Li、 Mg、 Al、 Si、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Cu、 Zn、 Zr、 Y、 Nb、 Mo、 Pd、 Ag、 Cd、 Au、 Pt、 Pb、 Bi、 W、 Hf、 La、 Ta、 Ba、 Sr、 Re、和镧系元素系列。其中，特别优选的元素是Cu。非铁磁性 元素畴壁限制层17可以是晶系或无定形系。
图2A 图2C所示为在复合间隔层14附近的磁阻效应元件10的剖面图，用于说明畴壁限制 层17的作用。图2A和图2B表示在复合间隔层14附近不存在畴壁限制层17时的情况。在图2A 中，复合间隔层14的厚度tl与铁磁性金属层142的直径dl近似相等。在图2B中，铁磁性金属 层142的直径d2相对大于复合间隔层14的厚度t2。图2C表示在复合间隔层14附近存在畴壁限 制层17时的情况。图2C中复合间隔层14的厚度t3和铁磁性金属层142的直径d3与图2B中的 相同。其中存在畴壁限制层17的图2C是本实施方式。
如先前所述，畴壁DW在铁磁性金属层142处形成。固定层133、自由层15的磁化方向不 同，于是畴壁DW在铁磁性金属层142处产生，该铁磁性金属层142被夹在固定层133和自由层 15中间并由铁磁性材料构成。畴壁DW是指磁畴之间的界面，磁矩的取向在畴壁DW内部改变。 畴壁DW可能不仅扩展到铁磁性金属层142本身，而且扩展到其外围面。
在图2A中，绝缘层141的厚度tl与铁磁性金属层142的直径dl近似相等。于是，畴壁DW 的厚度X1近似等于绝缘层141的厚度tl (人l ~ dl ~ tl)。相应的，在图2B中，铁磁性金属层142 的直径d2大于绝缘层141的厚度t2(d2 > t2)。同时，畴壁DW的厚度入2近似等于铁磁性金属层 142的直径d2(X2 d2)。因此，从复合间隔层14中向外扩展的畴壁DW (扩展到外围面)变大。
如上所述，畴壁DW的厚度X取决于绝缘层141的厚度t和铁磁性金属层142的直径d。需要 将绝缘层141的厚度t和铁磁性金属层142的直径d设定为1 nm，从而使畴壁DW的厚度X为1 nm。 然而，如果将铁磁性金属层142的直径d设定为lnm，那么磁阻效应元件10的电阻有过度增加 的问题。在本实施方式中，畴壁限制层17设置在固定层133和自由层15中的一个或两个上。于
是，它可以限制畴壁DW的厚度入，从而在不降低绝缘层141的厚度t和铁磁性金属层142的直 径d的前提下提高磁阻率。如本实施方式中的图2C所示，通过畴壁限制层17能限制畴壁DW的 厚度X3。畴壁限制层17减弱了固定层133或自由层15内部的铁磁性耦合，从而抑制畴壁DW的 扩展。
在本实施方式中，优选铁磁性金属层142的直径d为2nm^dSl0ran。考虑到磁阻率，优选 铁磁性金属层142的直径d略小。另一方面，优选直径d略大以防止磁阻效应元件10的电阻过 度增加。此外，因为通过畴壁限制层17能限制畴壁DW的厚度入，故允许将铁磁性金属层142的 直径d设定得略大。如上所述，综合考虑磁阻率和电阻值之间的平衡来确定直径d的合适范围。
此外，优选将复合间隔层14到畴壁限制层17的距离dm设定为0nm〈dnK3nm。然而， 虽然畴壁DW的扩展分别取决于铁磁性金属层142的直径d和绝缘层141的厚度t，但用于更有 效限制畴壁DW的更优选的范围是0nnKdiiKl.5nm。此外，畴壁限制层17的厚度tm优选为 0.1 nm<tm<2nm。此外，更优选的范围是0.1 iraKto幼.5腦。. (模拟研究)
接下来，对铁磁性金属层142附近的磁化状态的模拟结果进行说明。 A.绝缘层141的厚度t、铁磁性金属层142的直径d的研究
绝缘层141的厚度t、铁磁性金属层142的直径的影响被研究。图3A所示为模拟条件的示意 图。将固定层133的厚度设定为4nm，自由层15的厚度设定为4 nm，绝缘层141的厚度t设定 为2 nm。
在上述条件下，将铁磁性金属层142的直径d从1 nm变到3 nm，于是求得铁磁性金属层142 内部和其附近的磁化角变化。图3B是示意图，表示沿固定层133、铁磁性金属层142和自由层 15的厚度方向的距离Z与磁化角变化(旋转角门)之间的关系。由该图明显可知，当铁磁性金属 层142的直径d是l nm时，磁化角变化最陡。即，可预期直径d越小，磁化角变化越大，磁阻 越大。
此外，在改变绝缘层141 (铁磁性金属层142)的厚度t时，求得磁化角变化。图3C所示为 表示铁磁性金属层142的直径d (或厚度t)和磁化变化度(旋转角比率[7nm])之间的关系图。 此外，磁化变化度是指每单位厚度的磁化角的变化率。通过该模拟求得如下两个结果。
(1) 将直径d固定为2 nm并改变厚度t。
(2) 直径d、厚度t改变相同的值。
结果发现，当厚度t和直径d均是lnm时，在铁磁性金属层142处的磁化变化度较大。另一
方面，当将直径d固定为2腦时，即使将厚度t设定为l nm，磁化变化度也相对较小。也就是 说，可预期直径d和厚度t设定的越小，磁化强度的变化越陡，磁阻越大。
当将直径d和厚度t设定为相等值时，畴壁DW的厚度人变小，于是可以预测畴壁DW不从 铁磁性金属层142中向外扩展(参照图2A)。另一方面，当将直径d固定为2 nm，厚度t设定 为1 nm时，畴壁DW的厚度V变大，于是可以预测畴壁DW从铁磁性金属层142中向外扩展(参 照图2B)。预测存掛不存在扩展影响较小和较大的磁化变化度。 B.复合间隔层14到畴壁限制层17的距离dm的研究
从复合间隔层14到畴壁限制层17的距离dm的影响被研究。图4A和图4B分别表示插入畴 壁限制层17和不插入畴壁限制层17的情况下磁化强度空间分布的模拟结果的示意图。此处，将 铁磁性金属层142的直径d设定为2nm，其厚度设定为2nm,固定层133和自由层15的磁化方 向设置成反平行。在图4A中，将复合间隔层14到畴壁限制层17的距离dm设定为0.5 nm。由 图4A、图4B中明显可知，通过插入畴壁限制层17来限制畴壁DW的厚度 u
图5所示为到复合间隔层的上表面的距离Z和沿外磁场方向的磁化强度之间关系的模拟结 果。该图中的横轴代表到复合间隔层14的距离Z，图中的纵轴代表沿外磁场方向磁化强度的大小。 在图5中，仅显示自由层15内部磁化强度的变化。此处，改变畴壁限制层17的插入距离dm。 可以看出，磁化强度的变化随距离dm变小比如从1.25nm到"O"nm而变陡。于是，当将插入距 离dm设定为"0"nm时，铁磁性金属层142和自由层15之间的磁耦合完全被断开。
由图5中的结果求得磁化强度的最大变化量和插入距离dm之间的关系。此处，其中磁化强 度不是连续变化的瑕版点被除去。结果如图6所示。图6所示为畴壁限制层17的位置(从复合 间隔层14到畴壁限制层17的距离dm)和磁化强度的最大变化量(在图中描述为最大磁化强度) 之间的关系图。当如上所述不考虑磁化强度的跳跃时，计算最大磁化强度。如图中所示，随距离 dm变小直到距离dm变成0.5 nm时，最大磁化强度变大。然而，当距离dm变得小于0.5 nm时， 最大磁化强度迅速减小。这是因为如果距离dm小到某种程度，上述磁化强度的跳跃变大。如上 所述，当复合间隔层14到畴壁限制层17的距离dm为0.5nm时，磁化强度的变化最大。还可预 期此时磁阻率变得较大。 (磁阻效应元件10的制造方法)
接下来对磁阻效应元件10的制造方法的一个实施例进行说明。图7所示为磁阻效应元件10 的制造方法的一个实施例的流程图。顺序在基片上形成下电极LE、基层ll、反铁磁层12、复合 固定层13、复合间隔层14、自由层15、保护层16、和上电极l正。通常，该形成过程在减压下
进行。
(1) 下电极LE到反铁磁层12的形成(步骤Sll)
通过微组装工艺在基片(图中未显示)上形成下电极LE。基层11和反铁磁层12顺序成膜 在下电极LE上。
(2) 复合固定层13 (包括畴壁限制层17)的形成(步骤S12) 在反铁磁层12上形成包括畴壁限制层17的复合固定层13。 B卩，固定层131、磁化反平行化
耦合层132、和固定层133顺序成膜。在固定层133成膜的中间阶段(或在成膜之前)形成畴壁 限制层17。通过顺序地改变成膜材料比如固定层133的组成材料、畴壁限制层17的组成材料、 固定层133的组成材料，可以将畴壁限制层17插入到固定层133中。
(3) 复合间隔层14的形成(步骤S13)
接下来形成复合间隔层14。使用如下方法以形成复合间隔层14。此处，包括铁磁性金属层 142的复合间隔层14形成在由Al203组成的绝缘层141的内部时的情况被描述为一个实施例，其 中铁磁性金属层142由具有金属晶体结构的Fe构成。
1) 在将作为铁磁性金属层142的供应源的第一金属层(例如Fe)成膜于固定层133上或在 固定层133自身位置处之后，转变成绝缘层141的第二金属层(例如A1)成膜于第一金属层上。 通过向第二金属层照射稀有气体(例如Ar)的离子束进行处理(离子处理)。作为离子处理的结 果，变成如下状态，其中第一金属层中的一部分渗入到第二金属层中。如上所述渗入第二金属层 中的第一金属层的组成材料变成铁磁性金属层142。
2) 接下来，通过提供氧化气体(例如包含氧的稀有气体)以氧化第二金属层来形成绝缘层 141 。此时，选用的条件应使铁磁性金属层142难以被氧化。通过氧化使第二金属层转变成由A1203 构成的绝缘层141。于是，形成了具有由Al203构成的绝缘层141的复合间隔层14和由Fe构成 的铁磁性金属层142。此处使用的氧化方法没有限制，只要满足不使铁磁性金属层142发生氧化 的条件即可。可以使用离子束氧化法、等离子体氧化法、离子辅助氧化法等中的任何一种。此外， 可以选用氮化法、碳化法代替氧化法。
此外，可用下述l)'、 2)，工艺替代上述1)、 2)工艺。
l)'将作为铁磁性金属层142的供应源的第一金属层(例如Fe)成膜在固定层133上或在固 定层133自身位置处。之后，待转变成绝缘层141的第二金属层(例如Al)成膜于第一金属层上。 在第二金属层成膜后，通过向绝缘层141'提供氧化气体(例如包含氧的稀有气体)来氧化第二金 属层。氧化方法没有限制，可以使用离子束氧化法、等离子体氧化法、离子辅助氧化法、自然氧
化法等中的任何一种。此外，可以选用氮化法、碳化法代替氧化法。
2)'接下来，通过向绝缘层141'照射稀有气体(例如Ar)的离子束进行后处理(离子处理)。 作为离子处理的结果，变成如下状态，其中第一金属层渗入到绝缘层141'中。于是，形成了具有 由Al203构成的绝缘层141'的复合间隔层14和由Fe构成的铁磁性金属层142。
(4) 自由层15 (包括畴壁限制层17)的形成(步骤S14) ' 在复合间隔层14上形成包括畴壁限制层17的自由层15。在自由层15成膜的中间阶段(或
在成膜之前)形成畴壁限制层17。通过顺序地改变成膜材料比如自由层15的组成材料、畴壁限 制层17的组成材料、自由层15的组成材料，可以将畴壁限制层17插入到自由层15中。
(5) 保护层16和上电极UE的形成(步骤S15) 顺序地在自由层15上形成保护层16和上电极UE。
(6) 热处理(步骤S16)
通过在磁场内对制得的磁阻效应元件IO进行热处理(退火)来固定复合固定层13的磁化方向。
(实施例l)
接下来对磁阻效应元件10的实施例1进行说明。在实施例1中，按如下所述制备具有膜结 构的磁阻效应元件10。
基层11: Ta[5 nm] / NiFeCr [7歸〗 '反铁磁层12: PtMn[15nm] 固定层131: C09Fe1 [3.3 nm] 磁化反平行耦合层132: Ru
固定层133: Fe5Co5 [2 nm] / Cu [x nm] / Fe5Co5
复合间隔层14: Al氧化物/FeCo金属层
形成Al[lnm]膜，接着进行离子处理，之后在Ax离子存在下进行氧化过程。
自由层15: Fe5Co5
/Cu [x nm] / Fe5Co5 [2 nm] '保护层16: Cu[l nm]/Ta[2nm]/Ru[15nm]
此处，将"x"设定为0.3和0.6，并制得两种元件。将制得的磁阻效应元件10放进磁场中，在 270 。C下，进行热处理约10小时。
如上所述，在实施例1中，将畴壁限制层17 (Cu[xnm])插入到固定层133 (Fe5Co5 [2.5 nm〗) 和自由层15 (FesC05[2.5nm])上。此外，将固定层133和自由层15中的任何一个上的畴壁限制
层17到复合间隔层14的距离dm设定为0.5 nm。 (实施例2)
接下来对磁阻效应元件10的实施例2进行说明。在实施例2中，制备具有如下膜结构的磁 阻效应元件10。
基层11: Ta [5 nm] / NiFeCr [7 nm]
反铁磁层12: PtMn[15nm]
固定层131: CogFe, [3.3 nm〗
磁化反平行耦合层132: Ru
固定层133: Fe5Co5 [2.5 nm]
复合间隔层14:形成Al[lnm]膜，接着在进行离子处理后，在Ar离子存在下进行氧化过程 自由层15: Fe5Co5
/ Cu [x nm] /Fe5Co5 [2 nm] (x: 0.3、 0.6、 0.9) '保护层16: Cu[l mn]/Ta[2nm]/Ru[15nm]
此处，将"x"设定为0.3、 0.6、 0.9，并制得三种元件。将制得的磁阻效应元件10放进磁场中， 在270 。C下，进行热处理约10小时。
如上所述，在实施例2中，将畴壁限制层27 (Cu [x nm])仅插入到自由层15 (Fe5Co5 [2.5 nm]) 中。此外，将畴壁限制层17到复合间隔层14的距离dm设定为0.5nm。 (对照例)
对磁阻效应元件10的对照例进行说明。在对照例中，制得不具有实施例l、 2中的畴壁限制 层17的磁阻效应元件。此外，除了存在/缺少畴壁限制层17之外，对照例与实施例l、 2相同， 因此将不再对其进行具体说明。
图8所示为根据实施例1、 2和对照例的磁阻效应元件的磁阻的MR比的测量结果的图表。 该图中的横轴、纵轴分别代表畴壁限制层17的厚度(Cu的厚度)，和MR (磁致电阻)比[%]。 MR比是指在外磁场被施加到磁阻效应元件时的电阻变化率。实线图和虚线图分别对应于实施例 1、 2。此外，畴壁限制层17的厚度为"0"nm时的情况对应于对照例。
如图中所示，通过插入畴壁限制层17增加了 MR比。当畴壁限制层17的厚度设定为03 nm 时，实施例1、 2中的MR比分别为5.3%、 4.7%，与对照例中的2.6%的MR比相比，它们近似 为其的二倍或以上。此时的RA为1 Qjam2 1.5 Qpm2。通过将畴壁限制层17插入到复合间隔层 14的两侧面中来将畴壁DW限制在复合间隔层14的两侧面处，于是，可以预测实施例1中的 MR比变得大于实施例2中的MR比。当畴壁限制层17的厚度设定为大于0.3 nm时，MR比降
低。当畴壁限制层17的厚度为0.9nm时，MR比变得与其中没有插入畴壁限制层17的对照例中 的MR比相似。 (实施例3)
对磁阻效应元件10的实施例3进行说明。在实施例3中，制得具有如下膜结构的磁阻效应 元件10。
'基层11: Ta[5nm]/Ru[2nm]
反铁磁层12: PtMn [15 nm]
固定层131: C09Fe1 [3.3 nm]
*磁化反平行耦合层132: Ru
固定层133: Fe5Co5 [2.2 nm] / Cu
/ Fe5Co5
复合间隔层14:形成Al[lnm]膜，接着在进行离子处理后，在Ar离子存在下进行氧化过程 自由层15: Fe5Co5
/Cu
/Fe5Co5[2.2nm] 保护层16: Cu [1 ran] / Ta [2 ran] / Ru [15 nm]
将制得的磁阻效应元件10放进磁场中，接着在270。C下，进行热处理约10小时。实施例3 中的元件的RA是0.6J^im2。此夕卜，观察到此时的MR值是250。/。。 (实施例4)
对磁阻效应元件10的实施例4进行说明。在实施例4中，制得具有如下膜结构的磁阻效应 元件10。
'基层11: Ta[5nm]/Ru[2nm]
反铁磁层12: PtMn[15nm]
固定层131: CogFe, [3.3 nm]
磁化反平行耦合层132: Ru
固定层133: Fe5Co5 [1.5 nm] / Cu
/ Fe5Co5 [1 nm]
'复合间隔层14:形成Al
膜，接着在进行离子处理后，在Ar离子存在下进行氧化过程 自由层15: Fe5Co5[l nm]/Cu
/Fe5Co5 [1.5nm] '保护层16: Cu[l nm]/Ta[2nm]/Ru[15nm〗
将制得的磁阻效应元件10放进磁场中，接着在270。C下，进行热处理约10小时。实施例4 中的元件的RA是0.4Qnm2。此外，此时观察到MR的值是200%。 (磁头)
图9和图10所示为其中根据本发明的实施方式的磁阻效应元件被结合到磁头中的状态的示 意图。图9所示为其中沿与空气接触面基本平行的方向剖开磁阻效应元件的剖面图，该空气接触 面面向磁记录介质(图中未显示)。图10所示为其中沿与空气接触面ABS垂直的方向剖开磁阻 效应元件的剖面图。
图9和图10中例举的磁头具有所谓的紧邻接结构。磁阻效应膜20是上述叠层膜。下电极LE 和上电极UE分别形成于磁阻效应膜20的上端和下端。在图9中，施加到膜41和绝缘膜42上的 偏置磁场发生叠加并施加到磁阻效应膜20的两侧面上。如图10所示，在磁阻效应膜20的空气 接触面上形成保护层43。
用于磁阻效应膜20的感应电流通过设置在磁阻效应膜20的上端和下端处的下电极LE和上 电极l正沿箭头A所示的与膜面近似垂直的方向传导。此外，通过向设置在磁阻效应膜20的右 侧和左侧处的膜41施加一对偏置磁场来将偏置磁场施加到磁阻效应膜20上。通过用该偏置磁场 控制磁阻效应膜20中的自由层15的磁各向异性以使其为单磁畴来稳定磁畴结构从而抑制因畴壁 运动导致的巴克豪森噪声。磁阻效应膜20中的S/N比得到提高，于是当将磁阻效应膜20应用到 磁头时，高灵敏的磁性再现变得可能。 (硬盘和磁头悬架组件)
通过与记敦再现整体式磁头装置相结合，可以将图9和图10中所示的磁头安装在磁记敦 再现装置上。图11是例举的磁记敦再现装置的系统结构的主要部分透视图。即，本实施方式的 磁记敦再现装置150是其内使用旋转式驱动器的打印装置。在同一图中，磁盘200被安装在轴芯 152上，通过由驱动系统控制器(图中未显示)中的控制信号驱动的马达(图中未显示)沿箭头 A方向旋转。本实施方式的磁记敦再现装置150可以包括多个磁盘200。
进行记敦再现存储在磁盘200中的信息的磁头浮动块153安装在薄膜悬架154中的尖部上。 在磁头浮动块153的尖部附近，在磁头浮动块153上装有磁头，该磁头包括根据上述任何一个实 施方式的磁阻效应元件。当磁盘200旋转时，磁头浮动块153的空气接触面(ABS)保有与磁盘 200表面的预定悬浮量。此外，磁头浮动块153可以是所谓的"接触运转型"，其中浮块与磁盘200 接触。
悬架154连接到驱动臂155的一个末端上。将作为直线电机中的一种的直线电机156设置在 驱动臂155的另一末端。直线电机156包括被绕成线轴部的驱动线圈(图中未显示)、用永磁体 构成的磁路和对面设置以夹住驱动线圈的对磁轭。驱动臂155被图中未显示的滚珠轴承支撑，该 轴承设置在轴芯157的上端和下端的两个位置处，通过直线电机156使旋转滑动尽可能的灵活。
图12是剖面透视图，其中从磁盘侧面观察驱动臂155中的尖部处的磁头悬架组件。g口，组 件160具有驱动臂155，悬架154安装在驱动臂155的一个末端上。具有磁头的磁头浮动块153 安装在悬架154的尖部上，该磁头包括根据上述任何一种实施方式的磁阻效应元件。悬架154具 有用于写入和读取信号的铅线164，这些铅线164和结合在磁头浮动块153中的磁头中的各个电 极是电连接的。附图中的标示数字165表示组件160中的电极板。根据本实施方式，通过具有包 括上述磁阻效应元件的磁头，可以读取记录在具有较高记录密度的磁盘200上的磁^言息。 (其它实施方式)
本发明的实施方式可以扩展/改变而不限于上述实施方式，该扩膨改变的实施方式也被包括 在本发明要求保护的技术范围内。
权利要求
1.一种磁阻效应元件，包括磁阻效应膜，包括磁化固定层，具有其磁化方向被特定地固定在一个方向上的第一铁磁性膜；磁化自由层，具有其磁化方向随外磁场变化的第二铁磁性膜；以及间隔层，设置在所述磁化固定层和所述磁化自由层之间，具有绝缘层和渗入所述绝缘层的铁磁性金属部分；一对电极，以与所述磁阻效应膜的膜面相垂直的方向施加感应电流；以及一层包含非铁磁性元素的层，所述层设置在所述磁化固定层内部和所述磁化自由层内部中的至少一个上。
2. 如权利要求1所述的磁效应元件，其特征在于，在所述绝缘层和所述包含非铁磁性元素的 层之间的距离dm满足0 nm < dm < 3 nm。
3. 如权利要求1所述的磁效应元件，其特征在于，所述包含非铁磁性元素的层的厚度tm满 足O.l nm<tm<2nm。
4. 如权利要求1所述的磁效应元件，其特征在于，所述非铁磁性元素是选自于由H、 C、 N、 O、 F、 Li、 Mg、 Al、 Si、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Cu、 Zn、 Zr、 Y、 Nb、 Mo、 Pd、 Ag、 Cd、 Au、 Pt、 Pb、 Bi、 W、 Hf、 La、 Ta、 Ba、 Sr、 Re、和镧系元素构成的元素组A中的元素。
5. 如权利要求1所述的磁效应元件，其特征在于，所述绝缘层具有氧、氮、或碳中的至少一种。
6. 如权利要求1所述的磁效应元件，其特征在于，所述铁磁性金属部分具有选自于由Fe和 Co构成的元素组B中的至少一种元素。
7. 如权利要求1所述的磁效应元件，其特征在于，所述铁磁性金属部分具有大于或等于2nm 的直径。
8. 如权利要求l所述的磁效应元件，其特征在于，所述铁磁性金属部分具有小于或等于lOnm 的直径。
9. 如权利要求1所述的磁效应元件，其特征在于，所述铁磁性膜是由Fe和Co组成的合金。
10. —种包含如权利要求1所述的磁阻效应元件的磁头。
11. 一种包含如权利要求IO所述磁头的磁性再现装置，所述装置从磁记录介质中读取磁记录"f曰息。
12. —种磁阻效应元件的制造方法，包括 形成第一磁层；形成间隔层，包括如下步骤-在所述第一磁层上形成第一金属层；对所述第一金属层进行处理；氧化所述第一金属层；以及 在所述间隔层上形成第二磁层，其中，形成所述第一磁层和所述第二磁层的步骤中的一步包括形成包含非铁磁性元素的层。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，通过向所述第一金属层照射稀有气体的离子束 进行所述处理。
14. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，通过施加足以激发所述第一磁层上的原子的能 量进行所述处理。
15. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，通过所述氧化步骤将所述第一金属层转变成绝 缘层。
16. —种磁阻效应元件的制造方法，包括 形成第一磁层；形成间隔层，包括如下步骤在所述第一磁层上形成第一金属层；氧化所述第一金属层；对所述第一金属层进行处理；以及 在所述间隔层上形成第二磁层，其中，形成所述第一磁层和所述第二磁层的步骤中的一步包括形成包含非铁磁性元素的层。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，通过向所述第一金属层照射稀有气体的离子束 进行所述处理。
18. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，通过施加足以激发所述第一磁层上的原子的能 量进行所述处理。
19. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，通过所述氧化步骤将所述第一金属层转变成绝 缘层。
全文摘要
一种磁阻效应元件，包括磁阻效应膜，包括磁化固定层，该层具有其磁化方向被特定地固定在一个方向上的第一铁磁性薄膜；磁化自由层，该层具有其磁化方向随外磁场变化的第二铁磁性膜；以及间隔层，该层设置在磁化固定层和磁化自由层之间，具有绝缘层和渗入绝缘层的铁磁性金属部分；一对电极，以与磁阻效应膜的膜面相垂直的方向上施加感应电流；以及一层包含非铁磁性元素的层，该层设置在磁化固定层内部和磁化自由层内部中的至少一个上。
文档编号H01L43/08GK101105945SQ20071013687
公开日2008年1月16日 申请日期2007年7月11日 优先权日2006年7月11日
发明者三宅耕作, 佐桥政司, 土井正晶, 岩崎仁志, 桥本进, 福家广美, 高岸雅幸 申请人:株式会社东芝;Tdk株式会社