专利名称：沉积有氧化物磁性层和金属磁性膜的磁阻元件的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及磁记录/再现，特别是适合于高记录密度磁记录/再现装置的磁头和用于它的磁阻元件，以及它的制造方法。
背景技术：
在JP-A-No.16929/1997中公开了用多层逆平行钉扎层和反铁磁性交换层的自旋阀磁阻传感器。在JP-A-169026/1995中公开了用反铁磁性耦合膜的自旋阀传感器。在JP-A-156530/2000中公开了有第二磁性层的磁阻元件，第二磁性层包含一个由任何材料如氧化物制的第三层，其上的磁化强度大体上是固定的。
日本磁学会出版的第23届学术讲演(6aA-5)摘要中描述了有包含一超薄氧化层的磁化钉扎层的自旋阀膜。在Intemag2000，FA-08的文摘中描述了也用薄氧化层的巨磁阻(GMR)膜。在Intermag2000，FA-07的文摘中描述了有在自由层上沉积了保护氧化层的GMR膜。Inermag2000，BQ-12的文摘中描述了有在自由层上沉积了保护氧化层的GMR膜。Intermag2000，FA-09的文摘中描述了采用磁氧化层的自旋阀膜。Inermagl999，DB-01的文摘中描述了具有嵌有氧化层的钉扎层的自旋阀膜。
在JP-A-340859/2000中公开了磁阻型磁头，它用磁性层中的高度自旋极化的氧化物材料来提供垂直于薄膜表面的电流。在P-A-150985/2000中公开了用高极化率膜的隧道磁阻元件。在No.3050189(JP-A-135857/1999)专利中公开了在隧道屏蔽层一侧用高极化率膜的磁阻元件。在JP-A-289115/1999中公开了一种自旋极化元件，该自旋极化元件通过非磁性层与一种铁磁材料和半导体或一种半金属材料相连结。
在《Applied Physics Letters》[vo1.73，1008(1998)]中有用LaSrMn03作半金属材料的铁磁隧道磁阻元件的描述。在《Applied Physics Letters》[vol.74，4017(1999)]中描述了用氧化铁和钴材料得到的铁磁隧道磁阻元件。
在JP-A-97766/1999中公开了用半金属氧化层的铁磁隧道磁阻元件。在JP-C-504303/1996中公开了一种用半金属材料如Fe3O4的磁阻装置。在JP-A-267742/1994中公开了采用由半金属材料制的磁性层的磁阻元件。在JA-348935/2000中公开了一种包含薄氧化层的自旋阀传感器。
在相关领域，更把磁阻元件成功的放置在磁记录装置的读出部分是不可能的，所述磁阻元件作用于有足够的灵敏度和输出功率的外部磁场且可提供具有完美对称性的良好特性。这就使得其不能够实现对此具有相当高记录密度的设备而言必不可少的功能。
巨磁阻对于本领域技术人员来说是很熟悉的，它是借助由其上沉积有非磁性金属层的铁磁金属层构成的多层膜得到的。对于这种磁阻，电阻既随由非磁性层隔离的铁磁层上形成的磁化强度变化又随磁化的取向变化。于是提出了自旋结构，这样所说的巨磁阻就可被用于磁阻元件。这意味着通过获得反铁磁膜/铁磁金属层/非磁性金属层/软磁金属层结构，并且通过借助反铁磁膜和铁磁金属层之间界面上感应出的交换耦合场来基本固定紧贴在反铁磁膜上的铁磁金属层的磁化从而使对应部分，即软磁金属层发生磁性旋转，以提供优选的输出功率。
此后，在下文的描述中，简称上边提到的磁化固定效应称之为钉扎偏磁，反铁磁膜称之为钉扎偏磁膜。此外上述的磁化在其上充分固定的铁磁金属层，简称为钉扎膜或铁磁钉扎层。类似地，被外磁场磁力旋转的软磁金属膜被简称为自由层或软磁自由层。
钉扎层的作用就是它使磁化基本固定，于是磁场可以被读出，反铁磁膜或者可以被硬磁膜(也就是另一种除非施加一个相对很强的磁场否则不会影响磁化的材料)所代替。
在用了自旋阀型磁阻多层膜的磁头里，由铁磁层/非磁性层/软磁层组成的部分决定了它的磁阻的大小。由于软磁金属层是一种铁磁金属层，所以铁磁金属层-非磁性金属层之间界面是形成这一原则的原因。大家知道公开的现有技术允许通过向铁磁金属层中插入氧化物或把它的一部分氧化来提高MR率。但是，在这种情况下氧化层是沉积在铁磁金属层的中间位置而并没有在铁磁金属层-非磁性金属层界面上形成一定厚度的氧化层。这是由于氧化物一般没有铁磁性且不传导电子，这是磁阻的一个主要块因子。
或者，还提出了一种通过采用高极化率材料来提高磁阻的方法，但是很难对薄金属膜，如铁磁金属层，和化合物，如用来制造磁阻元件的高极化率氧化物叠压进行。这是由于交替叠压通常由化合物如氧化物组成的高极化率材料和金属层，可能会引起高极化率材料与金属层反应，或引起此材料的成分扩散进入金属层形成非化学的计量组成，使其性能变差。
而且，当薄膜用通常的成膜技术叠压时，就会遇到形成无定形或微晶结构或不均匀晶体结构的问题。例如，对于被认为是一种半金属材料的磁铁矿(Fe3O4)而言，用溅射方法在室温以磁铁矿为靶形成的薄膜所表现的磁化性能只是大块磁铁矿的0.6特斯拉的三分之一到一半的水平。为了得到好的薄晶体磁铁矿膜，基体的温度需要加热到约500℃。但是在那么高的基体温度下成膜，不仅会使连续形成其它金属层变困难和影响超薄扁平金属膜的形成，而且会显著加速高极化率层和其它金属层如CoFe层之间的反应，影响好的高极化率层的形成。所以实际上很难叠压沉积有高极化率层和金属层的磁阻膜。
发明概述本发明的目的是提供一种具有长期可靠性的磁记录装置，它具有高密度记录的能力，或提供一种应用了磁阻元件的磁头。再具体一些，本发明的目的就是获得具有高MR率的自旋阀(spin valve)型磁阻元件，它具有用任何材料如设置在与非磁性层的界面上的高极化率的氧化物材料形成的铁磁化合物层以提供应用此元件的磁记录/再现装置。
根据本发明，要提供一种磁记录装置，它装有采用巨磁阻的磁阻元件而且具有高密度记录的能力，用自旋阀型巨磁阻多层膜作为磁阻元件，即必须用具有软磁自由层/非磁性中间层/铁磁钉扎层/反铁磁膜的多层组成的磁阻元件。
在此，施加交换耦合偏磁来基本固定铁磁钉扎层的磁化的反铁磁膜，可以通过直接紧粘在铁磁钉扎层上形成，或通过间接磁耦合来获得同样的效果。或者，可以用任何其它施加偏磁的方法来替代反铁磁膜，例如，可以用硬磁膜上的残留磁化或偏流。
根据本发明，要解决常规装置的问题和提供安装了磁阻元件和磁头且具有高密度记录的能力的磁记录/读出装置，必须至少在具有非磁性中间层的铁磁钉扎层的界面上设置高极化率层。或者至少在具有非磁性中间层的软磁自由层的界面上设置高极化率层。高极化率层可沉积在铁磁钉扎层的非磁性中间层与软磁自由层非磁性中间层之间的界面上。从改良软磁特性和磁弹性的立场出发，很容易用高极化率层来做铁磁钉扎层。采用了能形成包括第一铁磁层/非磁性插入层/第二铁磁层的多层结构的组成。
位于紧粘非磁性中间层的界面上的高极化率层，可以由任何一种铁磁化合物如半金属或铁磁化合物与金属的混合物制得，特别优选用Fe-O层。Fe-O层是通过在室温下或基体温度在200℃或以下时用任何方法如溅射，接着对该层进行热处理以在Fe-O层中沉积Fe3O4或Fe3O4-x，连续地和其它金属层交替层压而形成的。其中Fe-O层是由溶有氧原子的铁，铁磁氧化物如磁铁矿、铁与铁磁氧化物如磁铁矿的混合物、或Fe3O4-x(x的值在0-3之间，优选2-3)制成的，且优选形成一种氧的含量比在铁磁矿Fe3O4化学计量比成分中氧的含量少的组成。
Fe-O层具有晶体结构，沉积时氧原子完全以无定形或微晶态溶解在Fe中，通过对Fe-O层在200-400℃间适当的温度进行热处理，能够在所述层中形成接近Fe-O二元平衡体系的组合物，即一种高极化率相，该相能够通过在接近Fe-Fe3O4双相的方向上引起晶体析出现象而使磁阻发生变化。上述制造方法和组成的应用不仅能够形成具有良好结晶性的高极化率层，特别是含磁铁矿层，而且可以减弱铁磁耦合场，一个产生于铁磁钉扎层与软磁自由层之间的所谓夹层耦合场。
或者，对于高极化率层，也可以用所谓的铁素体组成物作为主要组元，所述组成物中的Fe部分被Ni、Co、Mn、Cr或Mn所代替。由于高极化率层表现铁磁性，铁磁钉扎层或软磁自由层可以只由高极化率性层组成，但是，通过层压高极化率层、金属铁磁材料等，可以形成任何结构如高极化率层/CoFe层/Ru层/CoFe层/反铁磁层结构，从而获得高的MR率和交换耦合场，以及适合的波形对称性。或者形成高极化率层/CoFe层/NiFe层的结构作为软磁自由层以获得高的MR率和软磁特性。
高极化率层的厚度可以做成0.5nm或更厚以提高电阻磁化的速度，厚度低于5nm可使软磁特性更好且可使夹层耦合场减弱。特别优选在1-3nm间的任何厚度，因为可以同时得到较高的MR率和减弱的夹层耦合场。
优选铜做非磁性中间层，然而，如果适当可以用任何一种导电金属如Au、Ag、Al、Pt、Pd、Os、Re、Ru和Rh，或使用含有它们中任何一种的合金。
在构成多层组成物的磁阻元件上布置了至少一对电极，该电极可以在施加电流时读出输出信号。所施加的电流平行于多层组成物的层结构以便检测由于界面上的散射产生的巨磁阻。或者，电流垂直于多层组成物的层结构以便使高极化率层中的极化电子透过界面并且产生要检测的磁阻。
磁阻元件可以只有一个单磁畴结构以便通过使软磁自由层进入单磁畴结构来防止产生噪音。例如，设置了硬磁膜，它在端部存在沿磁阻元件的膜表面且垂直于要检测的磁场的方向的残留磁化。或者单磁畴的获得也可通过设置例如邻近磁阻元件的沿膜厚方向有残留磁化的硬磁膜以在硬磁膜和磁阻元件的多层组成物上形成形状相同的端部。
根据本发明，在使用这些材料和组成的磁阻元件中，以及在读出部分用了磁阻元件的磁记录/读出装置里实现了高密度记录和更窄的记录道宽，即用短的记录波长在记录介质上来写入，从而使得有足够的读出输出信号来确保更好的记录。
如上所述，根据本发明，可以得到一种有更好的偏磁特性和高输出功率的磁阻元件以及使用它的磁头，特别是可以得到磁头和一种高记录密度的有更好读出输出和偏磁特性的磁记录/再现装置。
附图简述参照附图将对本发明进行更详细的描述，附图中
图1是根据本发明一个实施例的磁阻多层膜的多层组成截面图；图2是根据本发明一个实施例的磁阻多层膜的多层组成截面图；图3是根据本发明一个实施例的磁阻多层膜的多层组成截面图；图4是根据本发明一个实施例的磁阻多层膜的多层组成截面图；图5是根据本发明一个实施例的磁阻头的主截面图；图6是根据本发明一个实施例的磁阻头的主截面图；图7是根据本发明一个实施例的磁阻头的主截面图；图8是显示Fe-O膜的组成与饱和磁通密度之间关系的特性图；图9是沉积时添加了31at％的Fe接着进行热处理的Fe-O膜的x射线衍射图；图10是沉积时添加了31at％的Fe接着进行过热处理的Fe-O膜的磁化曲线特性图；图11是使用Fe添加量为31at％的Fe-O膜的自旋阀的磁化曲线和磁阻曲线特性图；图12是Fe-O膜的厚度、以及自旋阀的磁化量、薄膜电阻、和MR率的特征图；图13是显示Cu非磁性中间层、自旋阀膜的MR率和薄膜电阻之间关系的特性图；图14是显示Cu层的厚度、使用Fe-O层的不同组成的自旋阀的MR率和薄膜电阻之间关系的特性图；图15是安装了本发明磁阻元件的磁头的示意图；图16是本发明磁记录/再现装置的组成实例的方框图。
优选实施例详述(实施例1)用下述的射频磁溅射设备制造了构成根据本发明的巨磁阻元件多层膜的薄膜，在1-6mm乇氩气环境下，把以下材料顺序层压在1mm厚的陶瓷基板上形成薄膜，用钽、镍-20at％铁合金、铜、钴、MnPt、钌和Fe3O4(磁铁矿)做溅射靶。把一平方厘米的Fe和Ni片适当地放在Co靶上来调整组成。类似地，例如把一平方厘米的Fe片放在磁铁矿靶上来调整组成。
此后形成Fe-O层的组成就由磁铁矿(Fe3O4)加上Fe的总量来表示，例如Fe-O层中含Fe10at％就表示Fe3O4占90at％，Fe占10at％。
为了顺序形成多层膜的各个单层，通过向放置在靶上的各个阴极施加射频电流在设备里产生等离子体，然后将各个阴极上的开关一个接一个地打开闭合，当膜形成后，用永磁铁以平行基板方向施加磁场强度约为80奥斯特的磁场来引起单轴磁各向异性。形成的膜在磁场里真空条件下270℃热处理3小时以转化反铁磁性膜相，其结果使得在Fe-O层中沉积上高极化率化合物层，并且，在室温下测定磁阻。经过光刻处理，元件形成在基板上。然后，基体经过滑板处理并安装在磁记录装置上。
图1是要用作磁阻元件的磁阻多层膜的组成的一个例子。在图的注示中，例如“Ta3”表示多层组成的一种成分材料的例子和它以nm为单位的厚度。
这表示，根据图中所示的实施例，磁阻多层膜10是由在基体50上连续层压底层膜14、反铁磁膜11、铁磁钉扎层15、非磁性中间层12、软磁自由层13、和保护膜37而成的。在多层组成中，电阻随铁磁钉扎层15的磁化方向与软磁自由层13的磁化方向之间的夹角通过巨磁阻或隧道磁阻而变化。
磁阻多层膜10的底层膜14改进了磁阻多层膜10的底层膜14以上的部分的结晶度和结晶方向。底层膜14有Ta/NiFe的组成但也可以有其它组成。应用无底层膜14形成的组成并不会对本发明的目的起相反的作用。
在图1所示的组成例最重要的意义就是图1中软磁自由层13的组成在图1中，软磁自由层13是由包括高极化率层16、第一层软磁膜131、第二层软磁膜132的多层结构来表示的。例如，如图所示，通过高极化率层16粘附在非磁性中间层12上来得到高的MR率，在粘附高极化率层16的一边的第一层软磁膜是用相对较薄的Co合金层，例如Co90Fe10合金或Co80Fe8Ni12来控制高极化率层16和第二软磁膜132之间的扩散和混合而形成的。在非磁性中间层12一边的第二层软磁膜是用，例如，相对较厚的NiFe合金层形成的以使多层膜实现更好的软磁特性和更高的MR率。
由于形成的多层结构可以跟对偶件发生磁性耦合，因此，同一取向的磁化态常作为一个单体来处理。为实现磁化状态，组成软磁自由层13的高极化率膜16、第一软磁膜132、和第二软磁膜131是直接层压的，它们之间没有沉积中间层，或如果有中间层，其厚度也在适当的值，特别是1mm或更少以使它更薄。不同于图中所示的例子，软磁自由层13由包括高极化率层16/第一软磁膜131的多层组成，或者由除了第一和第二铁磁膜之外的第三或更多的多层制成并不起与本发明的目的相反的作用。对磁化各向异性的大小等因素进行设定，以使软磁自由层13的磁化方向可能跟没有施加磁场时磁道的宽度的大致方向相同。高极化率层16优选用化合物如高极化率的半金属，例如Fe3O4来制造，特别更优选由富Fe的Fe-O膜或由氧含量比Fe3O4低的Fe-O膜来制造，或者铁被Mn、Cr、Ni或Co部分取代。此外，厚度为10nm或更少，特别是在0.5-3nm间任一厚度的高极化率层16有更好的磁性能，减少了软磁自由层13和铁磁钉扎层15之间的层间耦合，且表现出很高的磁阻。
铁磁钉扎层15是由位于粘贴非磁性中间层12一边的第一铁磁膜151和位于跟反铁磁膜11代表的钉扎偏磁施加手段相贴一边的第二铁磁膜152，以及插在第一、第二铁磁膜之间并耦合以使第一铁磁膜151和第二铁磁膜152有反铁磁性，即逆平行磁化的反平行耦合层154形成的。这种组成使得源于铁磁钉扎层的形成端的静磁场的输出可以调节，且当用于磁头时，它可以使读出对称性更好。这样，包括反平行耦合层的铁磁钉扎层的组成在用于磁头时是有效的。请注意不含有反平行耦合层的组成应用于其它组成物和应用场合中时并不跟本发明的目的起相反的作用。(实施例2)
类似地，图2是要用于根据本发明磁阻元件的磁阻多层膜的组成的另一个例子。图中的注示跟图1中相同。磁阻多层膜10是通过在基体50上连续层压底层膜14、反铁磁膜11、铁磁钉扎层15、非磁性中间层12、软磁自由层13、和保护膜37而成的。对于多层组成，其电阻随铁磁钉扎层15的磁化方向与软磁磁自由层13的磁化方向之间的夹角通过巨磁阻或隧道磁阻而变化。由于底层膜14等、软磁自由层13等等的组成和作用与图1中所示的那些相同，所以它们的描述在此省略。如果底层膜14、软磁自由层13等等的组成与图中的那些有些不同，并不起跟本发明的目的相反的作用。
本发明的这个例子的最重要的意义就在于在铁磁钉扎层15的组成中包括了一氧化物插入层155。如图所示，铁磁钉扎层15是由贴在非磁性中间层12上的第三铁磁膜、位于与反铁磁膜11代表的钉扎偏磁施加手段相接一边的第二铁磁膜152、通过反平行耦合层154反铁磁性耦合在第二铁磁膜上的第一铁磁膜151、以及插在第一和第三铁磁膜之间起增加第三铁磁膜的结晶度以提高MR率作用的氧化物插入层155形成的。
含有反平行耦合层的铁磁钉扎层的组成在用于磁头时是有效的。注意不含有反平行耦合层的组成应用于其它组成物和应用场合中时并不起跟本发明的目的相反的作用。
厚度为1nm的氧化物插入层155通过氧化物插入层铁磁耦合在第三铁磁膜153和第一铁磁膜151之间并且使得第三铁磁膜153和第一铁磁膜151发生单个磁化。通过把含有氧化物插入层155的组成与在和非磁性中间层12的界面上有高极化率层16的软磁磁自由层13结合起来，提高了结晶度，也得到了高MR率。(实施例3)图3是要用作本发明磁阻元件的磁阻多层膜的又一个例子。图中的注示与图1中相同。磁阻多层膜10是通过在基体50上连续层压底层膜14、反铁磁膜11、铁磁钉扎层15、非磁性中间层12、软磁自由层13、和保护膜37而成的。
对于多层组成，其电阻随铁磁钉扎层15的磁化方向与软磁磁自由层13的磁化方向之间的夹角通过巨磁阻或隧道磁阻而变化。由于底层膜14等等的组成和作用与图1中所示的那些相同，所以它们的描述在此省略，如果底层膜14或其它部分的组成与图中的有些不同，并不起跟本发明的目的相反的作用。
本发明的这个例子的最重要的意义就在于高极化率层162和161分别包含在软磁自由层13和铁磁钉扎层15的组成中。如图所示，铁磁钉扎层15是由贴在非磁性中间层12上的第三铁磁膜、位于与反铁磁膜11代表的钉扎偏磁施加手段相接一边的第二铁磁膜152、通过反平行耦合层154反铁磁性耦合在第二铁磁膜上的第一铁磁膜151、以及在界面上与非磁性中间层12相接的高极化率层161形成的。含有反平行耦合层的铁磁钉扎层的组成在用于磁头时是有效的。注意不含有反平行耦合层的组成应用于其它组成和应用场合中时并不起跟本发明的目的相反的作用。
软磁自由层13是按一种连续的多层组成形成的，它是铁磁耦合在一起的，所以它可以作为一个单磁膜来实现磁化过程。类似地，软磁自由层13是由在界面上与非磁性中间层相连的高极化率层162、第一软磁膜131、和第二软磁膜132形成的。第二软磁膜132可以省略。两个高极化率层161和162通过非磁性中间层12彼此邻近，感应出磁阻厚度为1-2nm的高极化率薄层，特别是，降低了层间耦合场。(实施例4)图4是要用作本发明磁阻元件的磁阻多层膜的又一个例子。图中的注示与图1中相同。磁阻多层膜10是通过在基体50上连续层压底层膜14、软磁自由层13、非磁性中间层12、铁磁钉扎层15、反铁磁膜11、和保护膜37而成的。对于多层组成，其电阻随铁磁钉扎层15的磁化方向与软磁磁自由层13的磁化方向之间的夹角通过巨磁阻或隧道磁阻而变化。由于底层膜14等等的组成和作用与图1中所示的那些相同，所以它们的描述在此省略。如果底层膜14或其它部分的组成与图中的有些不同，并不会起跟本发明的目的相反的作用。
本发明的这个例子的重要的意义就在于铁磁钉扎层15的细减中包括了高极化率层16。如图所示，铁磁钉扎层15是由贴在非磁性中间层12上的高极化率层16、位于与反铁磁膜11代表的钉扎偏磁施加手段相接一侧的第二铁磁膜152、以及通过反平行耦合层154反铁磁性耦合在第二铁磁膜上的第一铁磁膜151形成的。含有反平行耦合层154的铁磁钉扎层15的组成在用于磁头时是有效的。注意不合有反平行耦合层154的组成应用于其它组成和应用场合中时并不起跟本发明的目的相反的作用。
软磁自由层13是按一种连续的多层组成形成的，它是磁耦合在一起的，所以它可以作为一个单磁膜实现磁化过程。在软磁自由层13和底层膜14之间可以包含用来提高磁性能和结晶度的磁弹性层或插入层。高极化率层16通过非磁性中间层12与软自由层13，特别是第一软磁膜131相邻，感应出磁阻。厚度为约1-2nm的高极化率薄层16特别是降低了层间耦合场。(实施例5)图5是应用本发明磁阻多层膜的磁阻头的组成的一个例子的面对磁性介质的截面图。纸上左-右方向代表磁头上的磁道的宽度方向，纸上的宽度表示元件的高的方向。
根据此实施例的磁头的形成过程包括在基体50上层压低磁屏蔽层35和低间隙屏蔽膜71，再在上面沉积磁阻多层膜10和磁畴控制膜45，此外在上面还沉积了上间隙膜72和上磁屏蔽层36形成一个读出间隙43来探测读出信号。跟磁阻多层膜10相接放置了电极40来探测读出电流的施加或电阻的变化。用有残留磁化的磁膜通过跟硬磁膜或反铁磁膜等等相耦合而形成的磁畴控制膜45的位置稍微远离磁阻多层膜10，这样它就可以在磁阻多层膜10上感应出偏磁效应来隔离单磁畴。
在此例中，磁阻多层膜10的组成可以和实施例1-4中描述的相同，但是优选形成磁畴控制膜45时，软磁自由层位于叠层表面一侧。读出磁间隙43把磁阻多层膜10保持在间隙的大致中心位置，使漏入读出间隙43的磁信号能够被高分辨率地读出。(实施例6)图6是应用本发明磁阻多层膜的磁阻头的组成的另一个例子的面对磁性介质的截面图。跟图5类似，纸上左-右方向代表磁头上的磁道宽度方向，纸上的宽度代表元件的高的方向。
根据此实施例的磁头的形成过程包括在基体50上层压低磁屏蔽层35和低导电间隙膜73，再在上面沉积磁阻多层膜10和磁畴控制膜45，此外又在上面沉积了上导电间隙膜74和上磁屏蔽层36形成一个读出间隙43来探测读出信号。跟磁阻多层膜10和磁畴控制膜45相接放置了电极40来探测当在磁阻多层膜10的厚度方向施加读出电流时电阻的任何变化。
其中，用有残留磁化的磁性膜通过跟硬磁膜或反铁磁膜等等交换耦合而形成的磁畴控制膜45的位置稍微远离磁阻多层膜10，这样它就可以在磁阻多层膜10上感应偏磁效应来隔离单磁畴。
在此例中，磁阻多层膜10的组成可以和实施例1-4中描述的相同，但是优选组成磁畴控制膜45时，软磁自由层位于叠层表面一侧。在图中，形成了一个跟磁阻多层膜10的任何其它部分宽度相同的反铁磁膜11的例子，但是也可以形成尺寸不同的反铁磁膜，那样电流会绕过反铁磁膜11。读出磁间隙43把磁阻多层膜10保持在间隙的大致中心位置，使漏入读出磁间隙43的磁信号能够被高分辨率地读出。(实施例7)图7是应用本发明磁阻多层膜的磁阻头的组成的又一个例子的面对磁性介质的截面图。跟图5类似，纸上左-右方向代表磁头上磁道的宽度方向，纸上的宽度代表元件的高的方向。
根据此实施例的磁头的形成过程包括在基体50上层压低磁屏蔽层35和低导电间隙膜73，再在上面沉积磁阻多层膜10，此外又在上面沉积了上导电间隙膜74和上磁屏蔽层36，形成一个读出间隙43来探测读出信号。电极40直接放在磁阻多层膜10上来探测读出电流的施加或电阻的变化。用有残留磁化的磁膜通过跟硬磁膜或反铁磁膜等等交换耦合而形成的磁畴控制膜45的端部大致跟磁阻多层膜10的左右两边相接触，使它在磁阻多层膜10上有偏磁效应。读出间隙43把磁阻多层膜10保持在间隙的大致中心位置，使漏入读出间隙43的磁信号能够被高分辨率地读出。
图8是Fe-O膜的组成与饱和磁通密度之间的关系图。为便于测量，Fe-O膜制成厚度约0.3μm的单层膜。通过溅射法用磁铁矿(Fe3O4)作靶制成不含有Fe的Fe-O膜，在成膜时，它的饱和磁通密度是0.2特斯拉，经过在270℃三小时的热处理后最多为0.3特斯拉或更低，是块状磁铁矿(Fe3O4)饱和磁化时的0.6特斯拉的一半或更低。另一方面Fe-O膜在加了约30at％的Fe后其饱和磁通密度在热处理前为0.5特斯拉，热处理后为0.7特斯拉或更多。那时磁化可能是由Fe引起的。
图9是加了31at％Fe的Fe-O膜的饱和磁通密度在沉积时(a)和热处理后(b)的X射线衍射曲线。从结果中可以看出，热处理前后它们的结构是不同的。沉积时(热处理前)，观察到了表示比标准Fe(110)面间距更宽的宽峰，表明Fe-O膜有与Fe类似的结构，里面溶入了氧。由此，说明大部分极化是由金属铁而不是组成相中的Fe3O4引起的。另一方面，热处理后接近Fe(100)峰的那些峰其面间距变窄，且清楚地观察到了Fe3O4(220)(311)对应的峰。因此，很明显通过对Fe-O膜进行热处理有Fe3O4沉积且形成了Fe或溶有氧的Fe和Fe3O4构成的混合物膜。
图10是加了31at％Fe的Fe-O膜在沉积时(a)和热处理后(b)的磁化曲线。沉积时的磁化曲线表现出很低的矫顽力且画出垂直的磁化回路，表明铁磁性Fe或Fe-O颗粒分散在它的非磁性基体中。另一方面，热处理后的磁化曲线表现出约500 Oe的矫顽力，表明它反映了通过热处理沉淀出的磁铁矿(Fe3O4)的磁晶体各向异性。
这些Fe-O膜的电阻取决于膜的厚度。在此厚约0.3μm的膜的电阻在沉积时为1224μΩcm，热处理后为566μΩcm。
图11是当加了31at％Fe的Fe-O膜用来做软磁自由层和当它用来做铁磁钉扎层时的自旋阀膜的磁化和磁阻曲线。Fe-O层厚度为20nm或10nm。磁阻曲线是通过施加面内电流，即所说的CIP测定法来测定的。
当Fe-O层用来做软磁自由层时，与Cu非磁性中间层较厚(10nm)无关，在铁磁钉扎层与软磁自由层的磁化曲线之间看不出明显不同。这是因为铁磁层与软磁自由层间的层间耦合是铁磁性的。注意，从磁化曲线描述的磁化量可知，用来做软磁自由层的Fe-O膜足够强。因此，磁阻曲线表现出1％或更低的电阻。
类似地，当Fe-O层用来做铁磁钉扎层时，与Cu非磁性中间层较厚(10nm)无关，在铁磁钉扎层与软磁自由层的磁化曲线之间看不出明显不同。这样，磁阻曲线表现出1％或更低的电阻。注意，从磁化曲线描述的磁化量可知，用来做铁磁钉扎层的Fe-O膜有足够的铁磁性，且通过形成铁磁钉扎层作为与MnPt反铁磁膜相接触的Fe-O层/CoFe层的多层结构实现了交换耦合。
图12显示了Fe-O层的厚度与自旋阀膜的磁化量、薄膜电阻和MR率之间的关系。与图11类似，Fe-O层用来做软磁自由层和铁磁钉扎层。为方便，也显示了Fe-O单层膜的厚度与磁化量之间的关系。
由图可知，Fe-O层的磁化量沿一条约0.8特斯拉对应的直线逐渐减少且当层厚变得小于10nm时几乎到达0(零)。另一方面，还可以看到当Fe-O层用来做自旋阀层时，铁磁钉扎层和软磁自由层的磁化量都在约1(一)特斯拉对应的直线上且在两种情形下都以1nm这样小的厚度画直线。这意味着，不同于Fe-O单层，自旋阀里的Fe-O层尽管它的厚度很薄，例如1-2nm，也可以保持一特斯拉的高磁化。这可能是因为由自旋阀膜的基层膜所带来的影响。而且，由CoFe、Cu等此类任何材料制成的Fe-O层的形成提高了结晶度。
薄膜电阻并不特别依赖于Fe-O层的厚度。这是由于Fe-O层的电阻大于其它任何金属层的电阻。MR率对层厚的依赖在铁磁钉扎层与软磁自由层之间并不相同。当Fe-O层用来做软磁自由层时，如果Fe-O层的厚度变得小于2nm，它可能下降。这可能是由于当厚度为1nm的Fe-O层用来做软磁自由层时，磁化量偏离直线，表明磁化量减少了。然而，对于厚度为2-20nm的Fe-O层，当层厚变薄时MR率升高。这意味着当Fe-O层的厚度变薄时层间耦合场减弱。另一方面，当厚度为10nm或更小的Fe-O层用来做铁磁钉扎层时，MR率降低而不是升高。这可能是由于在Fe-O层上形成了Cu层，基体对足够厚的Fe-O层上的Cu层有影响。层厚为3nm或更小时， MR率又升高且达到Fe-O层厚度为1nm时的高值这意味着当Fe-O层变薄时，层间耦合场减弱了。此外，它表明尽管层厚为1nm，铁磁钉扎层中的Fe-O层的磁化量更好了。
这些结果表明，对于铁磁钉扎层，即使层厚为1nm，该值小于用于软磁自由层的厚度，MR率却更好了。这可能是由于如果Fe-O层位于铁磁金属CoFe层附近，则更薄的Fe-O层的性能会提高。
图13显示了Fe-O层中铁的加入量、Cu非磁性中间层的厚度和自旋阀膜的性能。当Cu层变薄时MR率升高，而当层间耦合场变大时，即使Cu层很薄，MR率也会降低。从图中可知，10nm厚的Cu层无论其组成如何所表现的MR率几乎相同，但是，当Fe的添加量为20at％时，7nm厚的Cu层中的MR率开始降低，且随Fe的添加量增加持续降低。当Fe的添加量为40at％时MR率达到最高值且在Fe添加量在30-55at％之间任一值时就达到了很高的MR率。在此组成中，当Fe-O层中的Fe的添加量增加到22-55％时，也即在20at％、30at％、或40at％时MR率取决于Fe的添加量。另一方面，薄膜电阻只随Cu层的厚度变化而与Fe含量无关。
图14显示了具有采用Fe-O膜的各种组成的自旋阀膜中Cu层的厚度、MR率、和薄膜电阻之间的关系。A型、B型和C型只在软磁自由层中有Fe-O层，而D型和E型在软磁自由层中用了Fe-O层/CoFe层的多层结构。B型、C型和E型在沉淀的铁磁钉扎层中有氧化物插入层。B型和C型之间的一点区别在于前者厚度为3nm而后者为2nm。在A型组成中，即使Cu层薄到小于7nm，MR率也不会升高，而在B型组成中，即使Cu层薄到小于3-5nm，MR率也不会降低，此外，对于C-E型，MR率逐渐升高直到Cu层的厚度达到2-3nm，MR率也达到了5-7％的高值。因此，通过减小Fe-O层的厚度，把更薄的约1nm厚的Fe-O层与CoFe层等等一起层压形成一个多层，且在钉扎层中插入氧化层，就可以获得高MR率。
从图中可知，当Cu层变薄时，不管固定层或Fe-O层和CoFe层的组合怎样，薄膜电阻都会升高。
图15是安装了本发明磁阻元件的磁头的一个简图。在基体50上形成了磁阻多层膜10、磁畴控制膜(没有示出)、电极40、下屏蔽层35、上屏蔽层36、下磁核42和上磁核83。在图中，磁头有放置了上磁屏蔽层36和下磁核84的结构。注意使用同种材料制成的上磁屏蔽层和下磁核并不起跟本发明的目的相反的作用。
图16显示的是本发明的磁记录/再现装置的一个例子。在此例中，载有记录磁信息的记录介质91的盘片95在轴发动机93带动下旋转，如图15中所示，装有磁头的滑触头90被致动装置92引导到盘片95的磁道上。这表示在磁盘装置中，放在滑触头90上的读出头和写入头通过此机构被移向特定的记录位置来达到想要的相互运动，从而得以成功地进行信号读写。致动装置92优选旋转型致动装置。
记录信号通过信号处理系统94由写入头记录在介质上，读出头的输出信号再通过信号处理系统94处理为读出信号。此外，当读出头移到期望的磁道后，磁道上精确的位置可以用来自读出头的高灵敏度的输出信号来测定，而触头的移位可以通过控制致动装置来执行。尽管可以使用一个以上的滑触头和盘片，但在图中只显示了一个滑触头90和一个盘片95。此外在盘片95的双面都可以放上记录介质91来记录信息。当要求信息记录在盘片的双面上时，在盘片的两边也要分别放置滑触头90。
在本发明的另一实施例中，提供了一种制造上述磁阻元件的方法。这种方法包括下列步骤用真空或膜方法如同时溅射将Co、Fe、Ni、Mn或Cr的氧化物或它们的混合氧化物与金属Co、Fe、Ni、Mn和Cr或它们的合金混合；对得到的混合物在200-400℃进行热处理，形成所说的高极化率层。
在本发明的又一实施例中，提供了制造上述磁阻元件的另一种方法。这种方法包括下列步骤形成一个金属薄膜层；把所说的金属薄膜层暴露在含有反应气体如氧的气氛中进行氧化或化合，从而形成所说的高极化率层。
根据本发明的又一方面。提供了一种磁头，其中的磁敏感部位包含上述磁阻元件。
对本发明的磁头和装有它的磁记录/再现装置的测试的结果表明它们显示了足够的输出信号和更好的偏磁特性以及运转稳定性。
权利要求
1.一种磁阻元件，它具有铁磁层/非磁性中间层/铁磁层的多层组成，所述多层组成由所述非磁性中间层隔开且有至少两个铁磁层，而且所述磁阻元件包含可以使多层组成在限定在各铁磁层之间的相对磁化角随外加磁场变化时能感应出磁阻的部件，以及至少一对探测所说的磁阻的变化的电极，其中至少一个所说的铁磁层由高极化率层组成；至少一个非磁性中间层-铁磁层的界面具有包括非磁性中间层/高极化率层/铁磁金属层的组成，所说的高极化率层是铁磁化合物如半金属或任何铁磁化合物和金属的混合物。
2.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中至少有一个所说的铁磁层是由包括高极化率层和铁磁金属层的多层结构组成的；至少有一个非磁性中间层-磁层界面具有包括非磁性中间层/高极化率层/铁磁金属层的组成，所说的高极化率层是铁磁化合物如半金属或任何铁磁化合物和金属的混合物。
3.权利要求1所述的磁阻元件，其中至少有一个所说的铁磁层是由含有铁磁化合物的多层结构或由含有铁磁化合物的铁磁金属层和高极化率层的多层结构组成的，至少有一个非磁性中间层-铁磁层界面具有包括非磁性中间层/高极化率层/铁磁金属层的组成，所说高极化率层是主要由磁铁矿、Fe3O4-x(x为0-3，优选2-3)、或MFe2O4-X(M＝Fe、Co、Ni、Mn、Cr、或Zn，x为0-3，优选2-3)组成的铁磁氧化物、所说的铁磁氧化物与Fe的混合物、或所说的铁磁氧化物与包括任何Fe、Co、Ni等等在内的铁磁金属的混合物。
4.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中其中一个具有所说的铁磁层/非磁性中间层/铁磁层组成的铁磁层的磁化取向相对于待感知的磁场通过沉积在其整个表面上的反铁磁膜和固定手段如交换耦合而被基本固定。
5.一种磁阻元件，具有第一铁磁金属层/非磁性中间层/第二铁磁金属层/反平行耦合层/第三铁磁金属层/反铁磁膜的多层组成，而且包含可以使该多层组成在限定在各铁磁层之间的相对磁化角随外加磁场变化时能感应出磁阻的部分，以及至少一对探测所说的磁阻的变化的电极，其中所说的第三铁磁层的磁化相对于应感知的磁场通过沉积在其整个表面上的所说的反铁磁膜和交换耦合而基本固定上，交换耦合是由所说的反铁磁膜施加的交换耦合力而形成的，由此通过所说的反平行耦合层施加的交换耦合力相对于所说的第三铁磁层的磁化取向所说的第二铁磁层的磁化基本上反平行固定，而且由此所说的第二铁磁金属层的磁化相对于应感知的磁场被基本固定，所说的第二铁磁层是由高极化率层和铁磁金属层的多层结构组成的，其中高极化率层是铁磁氧化物或高极化率的铁磁氧化物与铁磁金属的混合物；所说的磁阻元件具有第一铁磁层/非磁性中间层/高极化率层/铁磁金属层的组成。
6.根据权利要求5所述的磁阻元件，其中所说的第一和第二铁磁层的每一个都是由高极化率层和铁磁金属层的多层结构组成的，其中高极化率层是铁磁氧化物或高极化率的铁磁氧化物与铁磁金属的混合物；所说的磁阻元件具有第一铁磁层/非磁性中间层/第二高极化率层/第二铁磁金属层的组成。
7.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所说的高极化率层的厚度为0.5-5nm，优选1-3nm。
8.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所说的非磁性中间层是由任何导电金属如Cu或Au、Ag、Al、Pt、Pd、Os、Re、Ru、和Rh组成的。
9.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所说的非磁性中间层是由用任何材料如氧化铝制成的绝缘膜组成的，所说的磁阻具有隧道效应。
10.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所说的铁磁层包含一个具有电子反射层、扩散控制层、或结晶度提高层功能的氧化物插入层，且具有铁磁金属层/氧化物插入层/铁磁金属层的组成。
11.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所说的电极的结构能够使其在平行于所说的多层组成的多层表面方向施加电流。
12.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所说的电极的结构能够使其在所说的多层组成的膜厚方向施加电流。
全文摘要
现有技术中用金属磁性膜制成的磁阻多层膜不能提供足够的再现输出能力。厚度为10nm或更薄的高极化率层做为与非磁性中间层界面相接触的富Fe的Fe－O层形成，再把所得到的层进行热处理形成铁磁Fe－O层的多层膜，从而获得有高磁阻的磁阻元件。
文档编号H01F10/30GK1409297SQ0215291
公开日2003年4月9日 申请日期2002年7月17日 优先权日2001年7月17日
发明者星屋裕之, 添谷进, 目黑贤一 申请人:株式会社日立制作所