專利名稱：磁阻效應元件、磁頭、磁存儲裝置及磁內存裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于再現(xiàn)磁存儲裝置(magnetic storage device)中信息的磁阻效應元件，尤其涉及一種具有CPP(電流方向垂直于平面)結構的磁阻效應元件，在CPP結構中，感測(sense)電流沿著構成磁阻效應元件的膜疊層的層疊方向流動。
背景技術：
近年來，磁阻效應元件作為用于再現(xiàn)記錄在磁記錄介質上的信息的再現(xiàn)元件，用于磁存儲的磁頭。磁阻效應元件利用磁阻效應再現(xiàn)記錄在磁記錄介質上的信息，其中磁阻效應將從磁記錄介質泄漏的信號磁場的方向變化轉換為電阻變化。
隨著磁存儲裝置在高記錄密度方面取得的進展，具有旋閥(spin valve)膜的磁頭成為主流。旋閥膜具有由固定磁化層、非磁性層及自由磁化層構成的層疊結構，其中固定磁化層的磁化固定在預定方向，而自由磁化層的磁化方向根據(jù)從磁記錄介質泄漏的磁場的方向或強度而變化。旋閥膜的電阻值根據(jù)固定磁化層的磁化和自由磁化層的磁化所構成的角度而變化。通過使具有恒定值的感測電流流經(jīng)旋閥膜來檢測電壓變化，磁阻效應元件再現(xiàn)記錄在磁記錄介質上的位(bit)。
傳統(tǒng)地，將CIP(電流方向在平面內)結構用于磁阻效應元件，在CIP結構中感測電流沿著旋閥膜的平面內方向流動。然而，為了獲得更高的記錄密度，需要增加磁記錄介質的線性記錄密度和磁道密度。在磁阻效應元件中，需要減小與磁記錄介質的位長度(bit length)相對應的元件厚度以及減小與磁記錄介質的磁道寬度相對應的元件寬度，即減小元件的橫截面積。在減小元件厚度的情況下，如果采用CIP結構，則感測電流的電流密度較大，這可能會由于形成旋閥膜的材料遷移而引起性能下降。
因此，CPP(電流方向垂直于平面)型結構作為下一代再現(xiàn)元件而被提出和研究，在CPP型結構中感測電流沿著旋閥膜的層疊方向流動，即沿著固定磁化層、非磁性層及自由磁化層的層疊方向流動。CPP型旋閥膜具有如下特征即使在感測電流的電流密度恒定的條件下減小磁芯(core)寬度(與磁記錄介質的磁道寬度相對應的旋閥膜寬度)，輸出仍幾乎不變，因此CPP型旋閥膜適用于獲得高密度記錄。
CPP型旋閥膜的輸出是由當通過從一個方向至相反方向進行掃描(sweep)而將外部磁場施加至旋閥膜時單位面積的磁阻變化量來確定的。單位面積的磁阻變化量等于旋閥膜的磁阻變化量與旋閥膜的膜表面積的乘積。為了增加單位面積的磁阻變化量，簡單來說，需要將自旋相關體積散射系數(shù)(spin-dependent bulk scattering coefficient)與電阻率(specific resistance)的乘積較大的材料用于自由磁化層和固定磁化層。自旋相關體積散射是這樣一種現(xiàn)象在自由磁化層或者固定磁化層中，導電電子的散射程度在導電電子的兩個自旋方向上不同。磁阻變化量隨著自旋相關體積散射系數(shù)增加而增加。
作為具有較大自旋相關體積散射系數(shù)的材料，在日本特開2004-221526和2005-019484中提出使用Co2FexCr1-xAl(0≤x≤1)材料或者Co2FeAl材料作為具有較大自旋相關體積散射系數(shù)的材料的磁阻效應元件。
然而，如果將含大量Cr的Co2FexCr1-xAl用于自由磁化層或者固定磁化層，則自旋相關體積散射系數(shù)下降，從而會使磁阻變化量減少。因此，磁阻效應元件的輸出下降。
此外，如果將具有何士勒(Heusler)合金成分的Co2FeAl(Co、Fe和Al的原子濃度分別為50％、25％和25％)用于自由磁化層，則由于矯頑力較大而且自由磁化層對信號磁場的磁化響應較慢，因此磁阻元件的靈敏度下降。通常，隨著高密度記錄的進展，來自磁記錄介質的信號磁場強度趨向于下降。因此，磁阻的實質變化量減少，從而導致磁阻元件的輸出下降。此外，如果矯頑力太大，由信號磁場產(chǎn)生的自由磁化層的磁化難以旋轉，從而導致難以獲得輸出。

發(fā)明內容
本發(fā)明的總體目的在于提供一種消除了上述問題的改進且實用的磁阻元件。
本發(fā)明的更具體目的在于提供一種具有高輸出和良好磁場檢測靈敏度的磁阻元件以及具有該磁阻元件的磁頭和磁存儲裝置。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方案，提供一種CPP型磁阻效應元件，包括固定磁化層；非磁性層；以及自由磁化層，由CoFeAl形成，其中，CoFeAl的成分落入由在三元成分圖(ternary composition diagram)中依次連接點A、B、C、D、E、F及A的多條直線所限定的范圍內，其中點A為(55，10，35)，點B為(50，15，35)，點C為(50，20，30)，點D為(55，25，20)，點E為(60，25，15)，以及點F為(70，15，15)，每個點的成分坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示，每個含量由原子百分比表示。
CoFeAl的自旋相關體積散射系數(shù)幾乎等于CoFe的自旋相關體積散射系數(shù)，并且相對大于其他軟磁材料的自旋相關體積散射系數(shù)。此外，CoFeAl的電阻率約為CoFe的電阻率的六倍。因此，通過將CoFeAl用于自由磁化層或固定磁化層，取決于自旋相關體積散射系數(shù)和電阻率乘積的磁阻變化量顯著大于使用CoFe的情況。從而，能夠顯著提高磁阻效應元件的輸出。由此，由于將CoFeAl用于自由磁化層，從而根據(jù)本發(fā)明的磁阻效應元件具有較大的磁阻變化量，從而使磁阻效應元件具有高輸出。
此外，根據(jù)發(fā)明人的研究，發(fā)現(xiàn)通過將自由磁化層的CoFeAl的成分設定在范圍ABCDEFA內，可減少自由磁化層的矯頑力，從而實現(xiàn)對信號磁場具有良好靈敏度的磁阻效應元件。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供一種磁頭，包括襯底，形成磁頭滑動器的基部；以及上述磁阻效應元件。由于該磁阻效應元件具有高輸出和對信號磁場的良好靈敏度，因此該磁頭能夠以更高的記錄密度進行磁記錄。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供一種磁存儲裝置，包括磁記錄介質；以及磁頭，讀取記錄在該磁記錄介質上的信息，該磁頭包括上述磁阻效應元件。由于該磁阻效應元件具有高輸出和對信號磁場的良好靈敏度，因此該磁存儲裝置能夠實現(xiàn)高密度記錄。
另外，根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供一種磁內存裝置(magnetic memorydevice)，包括CPP型磁阻效應膜，具有固定磁化層、非磁性層及自由磁化層；寫裝置，用以通過將磁場施加至所述磁阻效應膜而使所述自由磁化層的磁化取向為預定方向；以及讀裝置，用以通過將感測電流施加至所述磁阻效應膜而檢測電阻值，其中，所述自由磁化層由CoFeAl制成，而且CoFeAl的成分落入由在三元成分圖中依次連接點A、B、C、D、E、F和A的多條直線所限定的范圍內，其中點A為(55，10，35)，點B為(50，15，35)，點C為(50，20，30)，點D為(55，25，20)，點E為(60，25，15)，以及點F為(70，15，15)，每個點的成分坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示，每個含量由原子百分比表示。
根據(jù)上述發(fā)明，由于將CoFeAl用于自由磁化層，因此磁阻變化量ΔRA較大，而且在讀取信息時相應于保存的“0”和“1”的磁阻值之差較大，從而能夠精確地讀取。此外，通過將自由磁化層的CoFeAl的成分設定為上述范圍ABCDEFA內的成分，可減少自由磁化層的矯頑力，從而減少功耗。
當結合附圖閱讀以下詳細說明時，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點將變得更為明顯。


圖1為示出具有根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的復合型磁頭的一部分的示意圖；圖2為示出構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第一實例的GMR膜的剖視圖；圖3為示出構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第二實例的GMR膜的剖視圖；圖4為示出構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第三實例的GMR膜的剖視圖；圖5為示出構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第四實例的GMR膜的剖視圖；圖6為示出構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第五實例的GMR膜的剖視圖；圖7為示出實施例1中自由磁化層和上、下第二固定磁化層的成分、矯頑力及磁阻變化量ΔRA的圖表；
圖8為示出自由磁化層的成分范圍的Co、Fe及Al的三元成分圖；圖9為示出下第二固定磁化層和上第二固定磁化層的成分的圖表；圖10為示出ΔRA與自由磁化層的電阻率和自旋相關體積散射系數(shù)之間關系的圖表；圖11為示出構成根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的磁阻效應元件的第一實例的TMR膜的剖視圖；圖12為示出構成根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的磁阻效應元件的第二實例的TMR膜的剖視圖；圖13為示出構成根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的磁阻效應元件的第三實例的TMR膜的剖視圖；圖14為示出構成根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的磁阻效應元件的第四實例的TMR膜的剖視圖；圖15為示出構成根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的磁阻效應元件的第五實例的TMR膜的剖視圖；圖16為根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的磁存儲裝置的俯視圖；圖17A為根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的第一實例的磁內存裝置的剖視圖。
圖17B為示出根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的圖17A所示GMR膜結構的示意圖。
圖18為根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的第一實例的磁內存裝置的存儲單元的等效電路圖；圖19為示出形成根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的第一實例的磁內存裝置的變化例的TMR膜結構的示意圖；以及圖20為根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的第二實例的磁內存裝置的剖視圖。
具體實施例方式
下面參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式。除非另外特別指明，否則單位面積的磁阻變化量ΔRA均稱為電阻變化量ΔRA或者簡稱為ΔRA。
(第一實施方式)下面描述具有根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件和感應式記錄元件的復合型磁頭。圖1為示出該復合型磁頭的一部分的示意圖。在圖1中，箭頭X表示面向磁阻效應元件的磁記錄介質的移動方向。
參照圖1，復合型磁頭10包括平面陶瓷襯底11，其由Al2O3-TiC形成并用作磁頭滑動器；磁阻效應元件20，形成在陶瓷襯底11上；以及感應式記錄元件13，形成在磁阻效應元件20上。
感應式記錄元件13包括上磁極14，面向磁記錄介質且寬度與磁記錄介質的磁道寬度相對應；記錄間隙層15；下磁極16，與上磁極相對且將記錄間隙層15夾在中間；磁軛(圖中未示出)，將上磁極14與下磁極16磁性相連；以及線圈(圖中未示出)，圍繞磁軛，以通過流經(jīng)線圈的記錄電流而感生記錄磁場。上磁極14、下磁極16和磁軛均由軟磁材料形成。作為軟磁材料，有多種材料具有較大的飽和磁通密度，而可獲得所需的記錄磁場，例如Ni80Fe、CoZrNb、FeN、FeSiN、FeCo、CoNiFe等等。應該注意感應式記錄元件13不限于上述結構，而可以使用具有已知結構的感應式記錄元件。
磁阻效應元件20包括依次堆疊在氧化鋁膜12上的下電極21、磁阻膜30(下文稱為GMR膜30)、氧化鋁膜25及上電極22，氧化鋁膜12形成在陶瓷襯底11的表面上。GMR膜30與下電極21和上電極22均電連接。
磁疇控制膜24經(jīng)由絕緣膜23形成在GMR膜30的兩側。磁疇控制膜24是Cr膜和CoCrPt膜的疊層體(layered product)。磁疇控制膜24使得構成GMR膜30的自由磁化層(圖2中示出)成為單磁疇，以防止產(chǎn)生巴克豪森(Barkhausen)噪聲。
下電極21和上電極22除了用作感測電流Is的通道之外，還用作磁屏蔽。因此，下電極21和上電極22均由諸如NiFe、CoFe、CoZrNb、FeN、FeSiN、CoNiFe等軟磁材料形成。此外，諸如Cu膜、Ta膜、Ti膜等導電膜可設置在下電極21與GMR30之間的界面處。
另外，磁阻效應元件20和感應式記錄元件13被氧化鋁膜、碳氫化物膜或類似物覆蓋，以防止腐蝕等。
例如，感測電流Is沿近似垂直方向從上電極22流經(jīng)GMR膜30，到達下電極21。GMR膜30根據(jù)從磁記錄介質泄漏的信號磁場的強度和方向改變其電阻值，即所謂的磁阻值。磁阻效應元件20通過使感測電流Is具有預定的電流值來檢測GMR膜30的磁阻值變化。如上所述，磁阻效應元件20再現(xiàn)記錄在磁記錄介質上的信息。應該注意感測電流Is的流動方向不限于圖1所示的方向，而可以為相反的方向。此外，磁記錄介質的移動方向可以反轉。
圖2為示出構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式磁阻效應元件的第一實例GMR膜的剖視圖。
參照圖2，第一實例的GMR膜30具有所謂的單旋閥結構，其中基礎層31、反鐵磁層32、固定磁化疊層體33、非磁性金屬層37、自由磁化層38及保護層39依次連續(xù)堆疊。
基礎層31通過濺射方法等形成在圖1所示的下電極21表面上。基礎層31由例如NiCr膜或Ta膜(例如，膜厚為5nm)和NiFe膜(例如，膜厚為5nm)的疊層體構成。優(yōu)選地，NiFe膜含有原子百分比為17％至25％的Fe。使用具有上述成分的NiFe膜，反鐵磁層32在(111)晶面和在結晶學上等價于(111)晶面的晶面上外延生長，其中(111)晶面是NiFe膜的晶體生長方向。從而改進反鐵磁層32的結晶性。
反鐵磁層32由例如膜厚為4nm至30nm的Mn-TM合金(TM包括Pt、Pd、Ni、Ir和Rh至少其中之一)形成。作為Mn-TM合金，例如有PtMn、PdMn、NiMn、IrMn及PtPdMn。反鐵磁層32通過對固定磁化疊層體33的第一固定磁化層34施加交換相互作用，將第一固定磁化層34的磁化固定在預定方向上。
固定磁化疊層體33具有所謂的疊層鐵磁結構，其中從反鐵磁層32側開始，第一固定磁化層34、非磁性耦合層35和第二固定磁化層36依次堆疊。在固定磁化疊層體33中，第一固定磁化層34的磁化和第二固定磁化層36的磁化以反鐵磁方式交換耦合，并且磁化方向相反。
第一固定磁化層34和第二固定磁化層36均由膜厚為1至30nm的含有Co、Ni和Fe至少其中之一的鐵磁材料形成。作為適用于第一固定磁化層34和第二固定磁化層36的鐵磁材料，例如有CoFe、CoFeB、CoFeAl、NiFe、FeCoCu、CoNiFe等等。應該注意第一固定磁化層34和第二固定磁化層36均不僅可以是單層，而且可以是兩層或多層的疊層體。該疊層體可以使用相同元素但其成分比不同的多層組合的材料?；蛘?，也可以使用不同元素的組合的材料。
第二固定磁化層36優(yōu)選由CoFeAl形成。這是出于以下原因。CoFeAl的自旋相關體積散射系數(shù)與屬于軟磁材料的CoFe的自旋相關體積散射系數(shù)的范圍相同，而相對大于其它軟磁材料的自旋相關體積散射系數(shù)。例如，Co90Fe10的自旋相關體積散射系數(shù)為0.55，而Co50Fe20Al30的自旋相關體積散射系數(shù)為0.50。此外，CoFeAl的電阻率遠遠大于CoFe。例如Co90Fe10的電阻率為20μΩcm，而Co50Fe20Al30的電阻率為130μΩcm，約為Co90Fe10的電阻率的6倍。由于磁阻變化量取決于自旋相關體積散射系數(shù)與電阻率的乘積，所以CoFeAl的磁阻變化量ΔRA遠遠大于CoFe的磁阻變化量。因此，通過將CoFeAl用于第二固定磁化層36可顯著提高磁阻變化量ΔRA。
此外，由于CoFeAl的自旋相關體積散射系數(shù)和電阻率對CoFeAl成分比的依賴性較小，因此具有在制造時容易控制CoFeAl成分的優(yōu)點。應該注意由于上述優(yōu)點，CoFeAl也適用于自由磁化層38。
在第二固定磁化層36中，考慮到較大的磁阻變化量ΔRA，CoFeAl優(yōu)選具有如在下文所述第二實施方式中說明的圖8所示三元成分圖中的區(qū)域CHIDC之內的成分。區(qū)域CHIDC定義為依次連接點C(50，20，30)、點H(40，30，30)、點I(50，30，20)、點D(55，25，20)及點C(50，20，30)的多條直線所圍繞的區(qū)域，其中各成分的坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示。請注意Co、Fe和Al的含量均由原子百分比表示。此外，由于第二固定磁化層36的矯頑力不影響磁阻效應元件的信號磁場，因此不限于特定值。
另外，作為適用于第一固定磁化層34的軟磁材料，考慮到低電阻率，有Co60Fe40和NiFe。由于第一固定磁化層34的磁化方向與第二固定磁化層36的磁化方向相反，因此第一固定磁化層34起減小磁阻變化量ΔRA的作用。在這種情況下，通過使用具有低電阻的鐵磁材料，可抑制磁阻變化量ΔRA的減少。
非磁性耦合層35的厚度值設定在使得第一固定磁化層34和第二固定磁化層36以反鐵磁方式交換耦合的范圍內。該范圍為0.4nm至1.5nm(優(yōu)選為0.4nm至0.9nm)。非磁性耦合層35由諸如Ru、Rh、Ir、Ru基合金、Rh基合金、Ir基合金等非磁性材料形成。作為Ru基合金，可使用Co、Cr、Fe、Ni和Mn中的任一元素或者上述元素的合金的非磁性材料。
此外，盡管省去了圖示，但鐵磁接合層可設置在第一固定磁化層34與反鐵磁層32之間，該鐵磁接合層具有高于第一固定磁化層34的飽和磁通密度。因此，可增加第一固定磁化層34與反鐵磁層32之間的交換交互作用，從而消除第一固定磁化層34的磁化方向從預定方向改變或者反轉的問題。
非磁性金屬層37由膜厚例如為1.5nm至10nm的導電、非磁性材料形成。作為適用于非磁性金屬層37的導電材料，有Cu、Al等等。
自由磁化層38設置在非磁性金屬層37的表面上，且由膜厚例如為2nm至12nm的CoFeAl形成。如上所述，CoFeAl的自旋相關體積散射系數(shù)與CoFe的自旋相關體積散射系數(shù)的范圍相同，而且CoFeAl的電阻率遠遠大于CoFe的電阻率。因此，自由磁化層38的磁阻變化量ΔRA遠遠大于使用CoFe的情況。
另外，自由磁化層的磁化優(yōu)選對外部施加的信號磁場具有良好的響應。因此，優(yōu)選地，將自由磁化層38的矯頑力設定為盡可能小，并且構成自由磁化層38的CoFeAl具有下文所述的第一實例所需的成分范圍。該成分范圍由下文所述的圖8所示CoFeAl的三元成分圖中的區(qū)域ABCDEFA所限定。區(qū)域ABCDEFA由依次連接點A(55，10，35)、點B(50，15，35)、點C(50，20，30)、點D(55，25，20)、點E(60，25，15)、點F(70，15，15)和點A(55，10，35)的多條直線限定，其中各成分的坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示。該成分范圍具有與屬于何士勒(Heusler)合金成分的Co50Fe25Al25相等的磁阻變化量ΔRA，而其矯頑力減少。因此，在提高對信號磁場的靈敏度的同時，磁阻效應元件可提供較高的輸出。
此外，通過將自由磁化層38的成分范圍設定為下文所述圖8所示的CoFeAl三元成分圖中的范圍ABCGA，可將自由磁化層38的矯頑力設定為等于或低于20Oe。范圍ABCGA由依次連接點A(55，10，35)、點B(50，15，35)、點C(50，20，30)、點G(65，20，15)和點A(55，10，35)的多條直線限定，其中各成分的坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示。因此，可進一步提高對信號磁場的靈敏度。
保護層39由諸如含有Ru、Cu、Ta、Au、Al及W其中之一的金屬膜等非磁性導電材料形成，并且可由上述金屬膜的疊層體形成。當進行下文說明的使反鐵磁層32的反鐵磁性顯現(xiàn)的熱處理時，保護層39能夠防止自由磁化層38氧化。
參照圖2說明第一實例的GMR膜30的形成方法。首先，通過濺射方法、氣相沉積方法、CVD方法等，使用上述材料形成從基礎層31至保護層39的各層。
隨后，在磁場中對如此獲得的疊層體進行熱處理。該熱處理是在以下條件下進行的在真空氣氛中，而且例如加熱溫度為250℃至320℃，加熱時間為約2至4小時，以及磁場為1592kA/m。依照該熱處理，上述Mn-TM合金的一部分轉變?yōu)橐?guī)則化(regularization)合金，從而提供反鐵磁性。此外，當進行熱處理時，通過沿預定方向施加磁場而將反鐵磁層32的磁化方向設定為平行于預定方向，從而由于反鐵磁層32與固定磁化層33之間的交換交互作用而使固定磁化層33的磁化沿預定方向。
接下來，將從基礎層31至保護層39的疊層體圖案化成如圖1所示的預定形狀，以獲得GMR膜30。注意下文說明的第二至第五實例的GMR膜以與第一實例的GMR膜30相同的方式形成。
由于自由磁化層38由CoFeAl形成，因此第一實例的GMR膜30具有較大的磁阻變化量ΔRA。此外，由于自由磁化層38的CoFeAl設定在上述預定成分范圍內，因此自由磁化層38的矯頑力較低。由此，可獲得具有高輸出和對信號磁場的良好靈敏度的磁阻效應元件。
下面描述構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第二實例的GMR膜。第二實例的GMR膜適用于圖1所示磁阻效應元件10的GMR膜30。
圖3為構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第二實例的GMR膜剖視圖。在圖3中，為與上文說明的部件相同的部件賦予相同的標號，并省略它們的描述。
參照圖3，第二實例的GMR膜40具有以下結構其中，基礎層31、下反鐵磁層32、下固定磁化疊層體33、下非磁性金屬層37、自由磁化層38、上非磁性金屬層47、上固定磁化疊層體43、上反鐵磁層42及保護層39依次連續(xù)堆疊。即GMR膜40具有所謂的雙旋閥結構，其中上非磁性金屬層47、上固定磁化疊層體43及上反鐵磁層42設置在圖2所示第一實例的GMR膜的自由磁化層38與保護層39之間。請注意下反鐵磁層32、下固定磁化疊層體33及下非磁性金屬層37分別由與圖2所示第一實例的GMR膜的反鐵磁層32、固定磁化層33及非磁性金屬層37相同的材料形成，且分別具有與圖2所示第一實例的GMR膜的反鐵磁層32、固定磁化層33及非磁性金屬層37相同的膜厚，而且使用相同的標號。
上非磁性金屬層47和上反鐵磁層42可分別由與下非磁性金屬層37和下反鐵磁層32相同的材料形成，而且膜厚設定在相同的范圍內。
此外，上固定磁化疊層體43具有所謂的疊層鐵磁結構，其中上第一固定磁化層44、上非磁性接合層45及第二固定磁化層46在上反鐵磁層42側依次連續(xù)堆疊。上第一固定磁化層44、上非磁性接合層45及第二固定磁化層46分別由與下第一固定磁化層34、下非磁性接合層35及下第二固定磁化層36相同的材料形成，而且膜厚設定在相同的范圍內。
GMR膜40的自由磁化層38選自與圖2所示第一實例的GMR膜的自由磁化層38相同的CoFeAl成分范圍。因此，出于與第一實例的GMR膜相同的原因，磁阻效應元件具有較大的磁阻變化量ΔRA，并且矯頑力降低。因此，在提高對信號磁場的靈敏度的同時，可獲得高輸出。
此外，GMR膜40同時具有由下固定磁化疊層體33、下非磁性金屬層37及自由磁化層38形成的旋閥結構以及由自由磁化層38、上非磁性金屬層47及上固定磁化疊層體43形成的旋閥結構。因此，GMR膜40的磁阻變化量ΔRA增加，并且達到第一實例GMR膜的磁阻變化量的約兩倍。由此，通過將GMR膜40用于磁阻效應元件，可使該磁阻效應元件提供比使用第一實例的GMR膜的情況更高的輸出。請注意GMR膜40的形成方法與第一實例的GMR膜的形成方法相同，因而省略其說明。
下面描述構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第三實例的GMR膜。第三實例的GMR膜適用于圖1所示磁阻效應元件10的GMR膜30。
圖4為構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第三實例的GMR膜剖視圖。第三實例的GMR膜是第二實例的GMR膜的變化例。在圖4中，為與上文說明的部件相同的部件賦予相同的標號，并省略它們的描述。
參照圖4，第三實例的GMR膜50具有以下結構基礎層31、下反鐵磁層32、下固定磁化疊層體33、下非磁性金屬層37、自由磁化疊層體51、上非磁性金屬層47、上固定磁化疊層體43、上反鐵磁層42及保護層39依次連續(xù)堆疊。即在GMR膜50的結構中，設置自由磁化疊層體51代替圖2所示第一實例的GMR膜30的自由磁化層38。
自由磁化疊層體51由依次連續(xù)堆疊的第一界面磁層52、自由磁化層38及第二界面磁層53形成。自由磁化層38由與圖2所示第一實例的GMR膜30的自由磁化層38具有相同成分范圍的CoFeAl形成。
第一界面磁層52和第二界面磁層53的厚度均設定在例如0.2nm至2.5nm范圍內，且由軟磁材料形成。第一界面磁層52和第二界面磁層53均優(yōu)選由自旋相關界面散射系數(shù)大于CoFeAl的材料形成，例如CoFe、CoFe合金、NiFe及NiFe合金。作為CoFe合金，有例如CoFeNi、CoFeCu、CoFeCr等。此外，作為NiFe合金，有NiFeCu、NiFeCr等。通過將自由磁化層38夾在具有較大自旋相關界面散射系數(shù)的軟磁材料膜之間，能夠增加自由磁化疊層體的磁阻變化量ΔRA。請注意第一界面磁層52和第二界面磁層53可使用相同成分的材料，或者可使用含有相同元素但具有不同成分比的材料，或者可使用具有彼此不同的元素的材料。
此外，第一界面磁層52和第二界面磁層53可使用與自由磁化層38具有不同成分比的CoFeAl。例如，第一界面磁層52和第二界面磁層53可使用矯頑力高于自由磁化層38的材料。
第三實例的GMR膜50具有與第二實例的GMR膜相同的效果，而且通過在自由磁化層38兩側設置第一界面磁層52和第二界面磁層53，可將磁阻變化量ΔRA增加至高于第二實例的GMR膜的磁阻變化量。
下面描述構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第四實例GMR膜。第四實例的GMR膜適用于圖1所示磁阻效應元件10的GMR膜30。
圖5為構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第四實例的GMR膜剖視圖。第四實例的GMR膜是第二實例的GMR膜的變化例。在圖5中，為與上文說明的部件相同的部件賦予相同的標號，并省略它們的描述。
參照圖5，第四實例的GMR膜60具有以下結構基礎層31、下反鐵磁層32、下固定磁化疊層體61、下非磁性金屬層37、自由磁化層38、上非磁性金屬層47、上固定磁化疊層體62、上反鐵磁層42及保護層39依次連續(xù)堆疊。即在GMR膜60的結構中，設置下固定磁化疊層體61和上固定磁化疊層體62分別代替圖3所示第二實例的GMR膜40的下固定磁化疊層體33和上固定磁化疊層體43。
下固定磁化疊層體61包括第三界面磁層63，該第三界面磁層63設置于下第二磁化層36的與下非磁性金屬層37相對的一側。另一方面，上固定磁化疊層體62包括第四界面磁層64，該第四界面磁層64設置于上第二磁化層46的與上非磁性金屬層47相對的一側。第三界面磁層63和第四界面磁層64的厚度均設定在例如0.2nm至2.5nm范圍內，且由鐵磁材料形成。第三界面磁層63和第四界面磁層64均優(yōu)選由自旋相關界面散射系數(shù)大于CoFeAl的材料形成，例如CoFe、CoFe合金、NiFe和NiFe合金。作為CoFe合金，有例如CoFeNi、CoFeCu、CoFeCr等。此外，作為NiFe合金，有NiFeCu、NiFeCr等等。從而能夠增加自由磁化疊層體的磁阻變化量ΔRA。請注意第三界面磁層63和第四界面磁層64可使用相同成分的材料，或者可使用含有相同元素但具有不同成分比的材料，或者可使用具有彼此不同的元素的材料。
第四實例的GMR膜60具有與第二實例的GMR膜相同的效果，而且通過設置第三界面磁層63和第四界面磁層64，可將磁阻變化量ΔRA增加至高于第二實例的GMR膜的磁阻變化量。
下面描述構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第五實例的GMR膜。第五實例的GMR膜適用于圖1所示磁阻效應元件10的GMR膜30。
圖6為構成根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的磁阻效應元件的第五實例的GMR膜剖視圖。第五實例的GMR膜是第四實例的GMR膜的變化例。在圖6中，為與上文說明的部件相同的部件賦予相同的標號，并省略它們的描述。
參照圖6，第五實例的GMR膜65具有以下結構基礎層31、下反鐵磁層32、下固定磁化疊層體66、下非磁性金屬層37、自由磁化層38、上非磁性金屬層47、上固定磁化疊層體67、上反鐵磁層42及保護層39依次連續(xù)堆疊。即第五實例的GMR膜65與第四實例的GMR膜的結構基本相同，不同點在于下固定磁化疊層體66包括第一鐵磁接合層68，且上固定磁化疊層體67包括第二鐵磁接合層69，其中第一鐵磁接合層68設置于下第二固定磁化層36的與下非磁性接合層35相對的一側，第二鐵磁接合層69設置于上第二固定磁化層46的與上非磁性接合層45相對的一側。
第一鐵磁接合層68和第二鐵磁接合層69的厚度均設定在例如0.2nm至2.5nm范圍內，且第一鐵磁接合層68和第二鐵磁接合層69均由含有Co、Ni和Fe至少其中之一的鐵磁材料(例如CoFe、CoFeB或CoNiFe)形成。第一鐵磁接合層68和第二鐵磁接合層69通過分別使用飽和磁化強度大于下第二固定磁化層36和上第二固定磁化層46的鐵磁材料，均能夠增加與下第一固定磁化層34和上第一固定磁化層44的交換耦合，由此進一步穩(wěn)定下第二固定磁化層36和上第二固定磁化層46上的磁化方向。因此，可穩(wěn)定磁阻變化量ΔRA。
如上所述，第五實例的GMR膜65具有與第二實例的GMR膜相同的效果，而且通過設置第一鐵磁接合層68和第二鐵磁接合層69，可穩(wěn)定磁阻變化量ΔRA。
應該注意，盡管第三至第五實例的GMR膜為第一實施方式中的第二實例的雙旋閥GMR膜的變化例，但是與第三至第五實例的GMR膜等同的變化例也可適用于圖2所示單旋閥GMR膜的自由磁化層或第二固定磁化層。此外，第三實例的GMR膜和第四或第五實例的GMR膜可相互組合。
(實施例1)在實施例1中，制造具有圖3所示第二實例的GMR膜結構的磁阻效應元件。
圖7為示出實施例1中自由磁化層和上、下第二固定磁化層的成分、矯頑力和磁阻變化量ΔRA的圖表。
參照圖7，改變第1至第27號樣品中用于下第二固定磁化層、自由磁化層及上第二固定磁化層的CoFeAl成分。實施例1的樣品通過如下方法制成。
在上面形成有熱氧化膜的硅襯底上形成Cu(250nm)/NiFe(50nm)的疊層膜作為下電極。然后，在不加熱襯底的情況下，在超真空氣氛(真空度等于或低于2×10-6Pa)中通過濺射裝置形成下疊層體的基礎層至保護層的每一層，其中每一層分別具有下述成分和膜厚。請注意在每個樣品中下第二固定磁化層、自由磁化層及上第二固定磁化層的CoFeAl的成分相同，并且該成分在圖7中示出。
隨后，進行熱處理，而使反鐵磁層顯現(xiàn)反鐵磁性。熱處理的條件設定為加熱溫度為300℃，處理時間為3小時，以及施加的磁場為1952kA/m。
隨后，通過離子研磨(ion-milling)對這樣獲得的疊層體進行研磨，以產(chǎn)生具有從0.1μm2至0.6μm2范圍內的六種接合面積的疊層體。注意對于每種接合面積，均制造40件疊層體。
隨后，由氧化硅膜覆蓋如此獲得的疊層體。然后，通過干蝕刻露出保護層，并形成Au膜的上電極，該上電極與保護層接觸。
以下示出實施例1中第1至第27號樣品的GMR膜的具體結構。請注意括號中的數(shù)字表示膜厚，而且下文所述的實施例也是如此。
基礎層NiCr(4nm)下反鐵磁層IrMn(5nm)下第一固定磁化層Co60Fe40(3.5nm)下非磁性耦合層Ru(0.72nm)下第二固定磁化層CoFeAl(5.0nm)下非磁性金屬層Cu(3.5nm)自由磁化層CoFeAl(6.5nm)上非磁性金屬層Cu(3.5nm)上第二固定磁化層CoFeAl(5.0nm)上磁性耦合層Ru(0.72nm)上第一固定磁化層Co60Fe40(3.5nm)上反鐵磁層IrMn(5nm)保護層Ru(5nm)對于如此獲得的第1至第27號樣品分別測量磁阻變化量ΔR，而且對于具有相同大小的接合面積的每個磁阻效應元件獲得磁阻變化量ΔR的平均值。然后，根據(jù)磁阻變化量ΔR的平均值和接合面積A，獲得單位面積的磁阻變化量ΔRA。進而，在確定具有不同接合面積A的六種磁阻效應元件具有基本相同的ΔRA之后，將ΔRA的平均值設定為最終ΔRA。
請注意在測量磁阻變化量時，感測電流的電流值設定為2mA，并且-79kA/m至79kA/m范圍內的外部磁場沿平行于上、下第二固定磁化層的磁化方向掃描。通過數(shù)字電壓計測量下電極與上電極之間的電壓，以獲得磁阻曲線。然后，根據(jù)磁阻曲線的最大值和最小值之間的差值獲得磁阻變化量。此外，根據(jù)磁阻曲線的磁滯性獲得自由磁化層的矯頑力，其中磁阻曲線是通過將-79kA/m至79kA/m范圍內的外部磁場沿與上述相同的方向掃描而獲得的。
參照圖7，在第1至第27號樣品中，表明磁阻變化量ΔRA等于或大于3mΩμm2。根據(jù)發(fā)明人的研究，發(fā)現(xiàn)磁阻變化量ΔRA大于將CoFe用于自由磁化層的情況。
圖8為示出自由磁化層的成分范圍的Co、Fe和Al的三元成分圖。在圖8中，在成分坐標上示出第1至第27號樣品的矯頑力(單位Oe)。
參照圖8，可理解在Co含量較大的一側和Fe含量較小的一側，自由磁化層的矯頑力相對于屬于何士勒合金成分的Co50Fe25Al25的矯頑力(30.5Oe)減小。另一方面，在Co含量的原子百分比為80％和Al含量的原子百分比為25％的范圍內自由磁化層的矯頑力增加。根據(jù)該結果，自由磁化層的CoFeAl的成分優(yōu)選設定為在圖8的成分圖中的范圍ABCDEFA內。范圍ABCDEFA由連接點A(55，10，35)、點B(50，15，35)、點C(50，20，30)、點D(55，25，20)、點E(60，25，15)、點F(70，15，15)及點A(55，10，35)的多條直線限定，其中各成分的坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示。此成分范圍為自由磁化層的矯頑力等于或小于30Oe的范圍。因此，自由磁化層的矯頑力小于Co50Fe25Al25(即何士勒合金成分)的矯頑力，因此對信號磁場的靈敏度非常好。
請注意盡管在Al含量小于15％(原子百分比)的范圍內矯頑力等于或小于30Oe，但根據(jù)發(fā)明人的研究ΔRA為約1mΩμm2且輸出減少。此外，在Al含量的原子百分比大于35％的范圍內矯頑力小于30Oe。然而，在該范圍內飽和磁通密度趨于減少。因此，為了保持飽和磁通密度和膜厚的乘積，自由磁化層的膜厚趨于增加。從而，讀取間隙增加，而使高密度記錄時的輸出減少。
此外，自由磁化層的CoFeAl的成分范圍優(yōu)選設定為矯頑力等于或小于20Oe的范圍。該成分范圍是由依次連接點A(55，10，35)、點B(50，15，35)、點C(50，20，30)、點G(65，20，15)及點A(55，10，35)的多條直線限定的范圍ABCGA。根據(jù)范圍ABCGA內的成分，由于矯頑力小于圖8所示由依次連接點A、B、C、D、E、F及A的多條直線限定的范圍ABCDEFA的矯頑力，因此磁阻效應元件的靈敏度進一步提高。
(實施例2)在實施例2中，制造具有圖6所示根據(jù)第一實施方式的第五實例GMR膜結構的磁阻效應元件。在本實施例中，自由磁化層的成分固定為Co50Fe20Al30，而改變下第二固定磁化層和上第二固定磁化層的CoFeAl成分，以形成第31至第37號樣品的磁阻效應元件。第31至第37號樣品的成分范圍為圖8中的范圍CHIDC。范圍CHIDC由依次連續(xù)連接點C、H、I、D及C的多條直線限定，其中點H為(40，30，30)，點I為(50，30，20)，在圖8中各成分的坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示。請注意同一樣品中的下第二固定磁化層和上第二固定磁化層設定為具有相同的成分。此外，第31至第37號樣品均通過與實施例1相同的方法制成，并且以相同的方法進行矯頑力和ΔRA的測量。
以下示出第31至第37號樣品的GMR膜的具體結構。請注意下第二固定磁化層和上第二固定磁化層的成分在圖9中示出。
基礎層NiCr(4nm)下反鐵磁層IrMn(5nm)下第一固定磁化層Co60Fe40(3.5nm)下非磁性耦合層Ru(0.72nm)第一鐵磁接合層Co40Fe60(0.5nm)下第二固定磁化層CoFeAl(4.0nm)第三界面磁層Co40Fe60(0.5nm)下非磁性金屬層Cu(3.5nm)第一界面磁層Co40Fe60(0.25nm)自由磁化層Co50Fe20Al30(6.5nm)第二界面磁層Co40Fe60(0.25nm)上非磁性金屬層Cu(3.5nm)第四界面磁層Co40Fe60(0.25nm)上第二固定磁化層CoFeAl(4.0nm)第一鐵磁接合層Co40Fe60(0.5nm)上磁性耦合層Ru(0.72nm)上第一固定磁化層Co60Fe40(3.5nm)
上反鐵磁層IrMn(5nm)保護層Ru(5nm)如此獲得的第31至第37號樣品表現(xiàn)相同的矯頑力(11Oe)。
參照圖9，第31至第37號樣品的磁阻變化量ΔRA為約5至7mΩμm2，這表明獲得了相對較大的ΔRA。因此，可發(fā)現(xiàn)通過使用實施例1中選取的成分范圍(圖8所示范圍ABCDEFA中的成分)的CoFeAl以及將屬于實施例2中的成分范圍(圖8所示范圍CHIDC中的成分)的CoFeAl用于第二固定磁化層(比如下第二固定磁化層或上第二固定磁化層)，在減少自由磁化層的矯頑力的同時，可獲得較大的磁阻變化量ΔRA。由此，獲得具有高輸出和對信號磁場的良好靈敏度的磁阻效應元件。
(實施例3)接下來，作為實施例3，對于在將CoFeAl膜用于根據(jù)本實施方式的磁阻效應元件的自由磁化層和第二固定磁化層時CoFeAl膜的電阻率對ΔRA的影響進行模擬。
如上所述，與傳統(tǒng)使用的CoFe膜相比，CoFeAl膜的一個特征是電阻率非常高。由于CoFeAl膜的電阻率高，因此ΔRA能夠顯著增加。
該模擬是通過對CPP型磁阻效應元件應用所謂的二元模型(binarymodel)進行的。二元模型是基于以下的兩篇文獻。
文獻(1)T.Valet等，Phys.Rev.B，48卷，7099-7113頁(1993)文獻(2)N.Strelkov等，J.Appl.Phys.，94卷，3278-3287頁(2003)在根據(jù)二元模型的模擬中，假定在磁阻效應元件的GMR膜中流動的向上自旋(up-spin)和向下自旋(down-spin)的每個電子的流路，并為每個流路應用構成GMR膜的每一層的電阻率、自旋相關體積散射系數(shù)和膜厚，從而獲得ΔRA。模擬的GMR膜的結構與圖2所示實例1的GMR膜30的結構相同，并且其具體材料和膜厚如下。
基礎層NiCr(4nm)方鐵磁層IrMn(5nm)第一固定磁化層Co60Fe40(3nm)非磁性耦合層Ru(0.8nm)第二固定磁化層CoFeAl(5nm)
非磁性金屬層Cu(4nm)自由磁化層CoFeAl(5nm)保護層Ru(4nm)然后，通過改變下第二固定磁化層和自由磁化層的電阻率ρ和自旋相關體積散射系數(shù)β進行模擬。請注意如果電阻率較大，則自旋擴散長度一般趨于變短。因此，在模擬中，在假定電阻率ρ和自旋擴散長度之間成反比關系的條件下進行計算，并且當電阻率ρ為20μΩcm時自旋擴散長度為10nm。此外，為了進行比較，模擬將CoFe膜用于下第二固定磁化層和自由磁化層的情況(比較例1和2)。
圖10為示出ΔRA與自由磁化層的電阻率和自旋相關體積散射系數(shù)之間關系的示意圖。在圖10中，垂直軸表示自旋相關體積散射系數(shù)β，而水平軸表示電阻率ρ(μΩcm)。此外，在圖10中，相應于ΔRA進行繪圖(mapping)，并且每條實線為ΔRA等于如圖所示恒定值的等值線。請注意ΔRA等于1的等值線以下的范圍表示ΔRA小于1且等于或大于0的范圍，而ΔRA等于9的等值線以上的范圍表示ΔRA等于或大于9且小于10的范圍(數(shù)值單位mΩμm2)。
參照圖10，對于CoFe膜的情況(比較例1)，ρ為20μΩcm，β為0.6，而ΔRA為0.5mΩμm2。此外，對于如以下文獻(3)所述的β增加的CoFe膜的情況(比較例2)，根據(jù)模擬，β為0.77，但ΔRA小于1.2mΩμm2。
文獻(3)H.Yuasa等，J.Appl.Phys.，92，2646-2650頁(2002)另一方面，對于CoFeAl膜的情況，ρ可為依據(jù)CoFeAl膜的成分(成分比)而定的多個值。例如，根據(jù)模擬，當CoFeAl膜的ρ為50μΩcm且β為0.6(與CoFe膜相等)時，如圖10所示，ΔRA為1.2mΩμm2，可理解ΔRA大于比較例2。
此外，當CoFeAl膜的ρ為300μΩcm且β為0.6時，ΔRA為4.6mΩμm2，其為比較例1的7.7倍。請注意，已發(fā)現(xiàn)當ΔRA設定為1.2mΩμm2時，電阻率ρ和自旋相關體積散射系數(shù)β之間的關系為β＝ρ-0.4(由單點劃線表示)。從增加ΔRA的角度，β優(yōu)選盡可能大，并且β優(yōu)選接近1，即β的最大值。
CoFeAl膜的ρ采取尤其依據(jù)鋁含量而定的各個值，當鋁含量的原子百分比為20％時，ρ為130μΩcm。由于β為約0.5，因此ΔRA為2.2mΩμm2，并且可理解其遠遠高于CoFe膜的ΔRA。
另外，盡管通過增加鋁含量能夠增加CoFeAl膜的ρ，但是ρ優(yōu)選設定為等于或小于300μΩcm。這是因為如果ρ超過300μΩcm，則由于自旋擴散長度減少等而使得ΔRA趨于下降。
如上所述，優(yōu)選地，CoFeAl膜的ρ為等于或大于50μΩcm且等于或小于300μΩcm，而自旋相關體積散射系數(shù)β設定為β≥ρ-0.4。該范圍位于圖10中的虛線與上述單點劃線之間。通過將CoFeAl膜的ρ和β設定在該范圍內，可使得其ΔRA大于CoFe膜，從而提高磁阻效應元件的再現(xiàn)輸出。
請注意盡管實施例3的模擬是在CoFeAl膜同時用于第二固定磁化層和自由磁化層的情況下進行的，但是在CoFeAl膜僅用于自由磁化層時仍能獲得大于CoFe膜的ΔRA。此外，例如通過上述文獻(3)中所述的方法，可獲得CoFeAl膜的β值。
(第二實施方式)根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的磁頭包括具有隧道磁阻效應(此后稱為TMR)膜的磁阻效應元件。除了設置TMR膜代替GMR膜30之外，根據(jù)第二實施方式的磁頭結構與圖1所示的磁頭結構相同，并且將省略對磁頭的說明。
圖11至圖15為構成根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的磁阻效應元件的第一至第五實例的TMR膜的剖視圖。
參照圖11至圖15，除了非磁性金屬層(下非磁性金屬層)37和上非磁性金屬層47分別由絕緣材料制成的下非磁性絕緣層(非磁性絕緣層37a)和絕緣材料制成的上非磁性絕緣層(非磁性絕緣層47a)代替之外，第一至第五實例的TMR膜70至74與圖2至圖6所示的GMR膜30、40、50、60、65具有相同的結構。
非磁性絕緣膜37a和47a均具有例如為0.2nm至2.0nm的膜厚，并且均由選自Mg、Al、Ti及Zr構成的集合中的材料的氧化物形成。作為這種氧化物，有MgO、AlOx、TiOx和ZrOx。這里，下標“x”表示可以與各種材料的化合物的成分不同的成分。非磁性絕緣膜37a和47a尤其優(yōu)選由晶體MgO形成?；蛘?，非磁性絕緣膜37a和47a均可由選自Al、Ti和Zr構成的集合中的材料的氮化物或者氮氧化合物(形成。作為這種氮化物，有AlN、TiN和ZrN。
非磁性絕緣膜37a和47a可通過直接成膜的濺射方法、CVD方法或者氣相沉積方法形成。或者，非磁性絕緣膜37a和47a可在使用濺射方法、CVD方法或者氣相沉積方法形成金屬膜之后、通過進行氧化處理或氮化處理將金屬膜轉變成氧化膜或氮化膜形成。
單位面積的隧道電阻變化量能夠以與測量單位面積的磁阻變化量ΔRA相同的方法獲得。單位面積的隧道電阻變化量隨著自由磁化層38和第二固定磁化層36或46的極化率增加而增加。所述極化率為鐵磁層(自由磁化層38以及第二固定磁化層36和46)經(jīng)由絕緣層(非磁性絕緣膜37a和38a)的極化率。CoFeAl的自旋相關體積散射系數(shù)大于傳統(tǒng)使用的NiFe或CoFe的自旋相關體積散射系數(shù)。因此，通過將CoFeAl用于自由磁化層38，可以預見，單位面積的隧道電阻變化量會增加。另外，通過將CoFeAl用于第二固定磁化層36和46，也可預見單位面積的隧道電阻變化量會增加。
自由磁化層38的CoFeAl的成分范圍設定為與第一實施方式中所述的自由磁化層的CoFeAl的成分范圍(圖8所示的范圍ABCDEFA的成分范圍，或者范圍ABCGA的成分范圍)相同。因此，自由磁化層38的矯頑力減少。從而，實現(xiàn)包括具有高輸出和對信號磁場的良好靈敏度的TMR膜的磁阻效應元件。
請注意盡管在第二實施方式中第三至第五實例的TMR膜為第二實例的TMR膜的變化例，但是與第三至第五實例的TMR膜相同的變化例也可適用于圖11所示TMR膜的自由磁化層或第二固定磁化層。此外，第三實例的TMR膜和第四或第五實例的TMR膜可相互組合。
(第三實施方式)圖16為根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的磁存儲裝置的俯視圖。
參照圖16，磁存儲裝置90具有殼體91。容置在殼體91的部件為輪軸(hub)92，由主軸(spindle)(圖中未示出)驅動；磁記錄介質93，固定至輪軸92并通過主軸旋轉；傳動單元94；懸梁(suspension)96，由傳動單元94支撐并沿磁記錄介質93的徑向驅動；以及磁頭98，由懸梁96支撐。
磁記錄介質93為平面內磁記錄型或垂直磁記錄型，并且可以是具有傾斜各向異性的磁記錄介質。磁記錄介質93不限于磁盤，而可以是磁帶。
如圖1所示，磁頭98包括磁阻效應元件20和形成于其上的感應式記錄元件13。感應式記錄元件13可以是用于平面內記錄的環(huán)形記錄元件、或用于垂直記錄的單磁極型記錄元件、或其它已知的記錄元件。磁阻效應元件設置有第一實施方式的第一至第五實例的GMR膜之一或第二實施方式的第一至第五實例的TMR膜之一。因此，磁阻效應元件提供較大的單位面積磁阻變化量或較大的隧道電阻變化量，從而實現(xiàn)高輸出。因此，磁存儲裝置90適用于高密度記錄。請注意根據(jù)本實施方式的磁存儲裝置的基本結構不限于圖16所示的結構。
(第四實施方式)圖17A為根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的第一實例的磁內存裝置的剖視圖。圖17B為示出圖17A所示GMR膜30結構的示意圖。圖18為磁內存裝置的存儲單元的等效電路圖。在圖17A中，為了表明方向示出了正交坐標軸。Y1和Y2方向垂直于紙平面，而且Y1方向為進入紙平面，Y2方向為從紙平面出來。在以下說明中，如果一個方向只稱為例如“X方向”，則該方向可以是X1方向或X2方向?！癥方向”和“Z方向”亦如此。在圖中，為與上文描述的相同的部件賦予相同的標號，并省略它們的說明。
參照圖17A、17B和18，例如，磁內存裝置100包括以矩陣方式排列的多個存儲單元101。每個存儲單元101包括磁阻效應(GMR)膜30和金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)102。MOSFET102可使用P溝道MOSFET或n溝道MOSFET。這里，以n溝道MOSFET為例進行說明，在n溝道MOSFET中電子用作載流子。
MOSFET102具有p阱區(qū)104和雜質擴散區(qū)105a和105b，其中p阱區(qū)104包含形成在硅襯底103中的p型雜質，而雜質擴散區(qū)105a和105b相互分離地形成在p阱區(qū)104中硅襯底103的表面附近，n型雜質被引入雜質擴散區(qū)105a和105b。這里，雜質擴散區(qū)105a用作源極S，而另一雜質擴散區(qū)105b用作漏極D。MOSFET102具有形成在柵極絕緣膜106上的柵極G，該柵極絕緣膜106位于兩個雜質擴散區(qū)105a和105b之間的硅襯底表面上。
MOSFET102的源極S通過垂直布線114a和層內布線115電連接至GMR膜30的一側，例如基礎層31。此外，板線(plate line)108通過垂直布線114b電連接至漏極D。用于讀取的字線109電連接至柵極G?；蛘?，柵極G也可用作用于讀取的字線109。
此外，位線110電連接至GMR膜30的另一側，例如保護膜39。用于寫入的字線111設置在GMR膜30的下方，且與GMR膜30隔離。
GMR膜30具有如圖2所示相同的結構。在GMR膜30中，自由磁化層38的易磁化軸和難磁化軸分別沿著圖17A所示的X軸和Y軸取向。易磁化軸的方向可通過熱處理或者根據(jù)形狀各向異性而形成。在根據(jù)形狀各向異性沿著X軸方向形成易磁化軸的情況下，使得平行于膜表面(或平行于X-Y平面)的GMR膜30的橫截面形狀為矩形，該矩形的X方向的邊長于Y方向的邊。
在磁內存裝置100中，硅襯底103和柵極G的表面被諸如氮化硅膜或氧化硅膜的層間絕緣膜113覆蓋。GMR膜30、板線108、用于讀取的字線109、位線110、用于寫入的字線111、垂直布線114a和114b以及層內布線115具有上述電連接關系，但是另一方面他們又通過層間絕緣膜113彼此電隔離。
磁內存裝置100將信息保存在GMR膜30中?；谧杂纱呕瘜?8的磁化方向是平行于還是反平行于第二固定磁化層36的磁化方向而保存信息。
接下來，將描述磁內存裝置100的寫操作和讀操作。磁內存裝置100將信息寫入GMR膜30的操作是通過分別位于GMR膜30上方和下方的位線110和用于寫入的字線111來進行的。位線110在GMR膜30上沿X方向延伸。通過使電流流經(jīng)位線110，將磁場沿Y方向施加至GMR膜30。用于寫入的字線111在GMR膜30下方沿Y方向延伸。通過使電流流經(jīng)用于寫入的字線111，將磁場沿X方向施加至GMR膜30。
在基本沒有施加磁場時，GMR膜30的自由磁化層38的磁化是沿著X方向(例如，X2方向)取向。磁化方向是穩(wěn)定的。
在將信息寫入GMR膜30時，使電流同時流經(jīng)位線110和用于寫入的字線111。例如，在自由磁化層38的磁化沿著X1方向取向的情況下，使電流沿著Y1方向流經(jīng)用于寫入的字線111。因此，磁場在GMR膜30中是沿X1方向取向。此時，電流流經(jīng)位線110的方向可以是X1方向或X2方向。由流經(jīng)位線110的電流所產(chǎn)生的磁場在GMR膜30中是沿著Y1方向或Y2方向，并用作用于自由磁化層38磁化的一部分磁場，以越過難磁化軸的阻礙。即由于將X1方向的磁場和Y1或Y2方向的磁場同時應用于自由磁化層38的磁化，因此自由磁化層38沿X2方向取向的磁化反向為沿X1方向。在去除磁場之后，自由磁化層38的磁化仍保持沿著X1方向取向并且是穩(wěn)定的，除非施加下一寫操作的磁場或用于擦除操作的磁場。
由此，根據(jù)自由磁化層38的磁化方向，可將“1”或“0”記錄在GMR膜30中。例如，當?shù)诙潭ù呕瘜?6的磁化方向為X1方向時，如果自由磁化層38的磁化方向為X1方向(低隧道電阻狀態(tài))則記錄“1”，而如果自由磁化層38的磁化方向為X2方向(高隧道電阻狀態(tài))則記錄“0”。
在進行寫操作時分別提供給位線110和用于寫入的字線111的電流大小的條件為使得只流經(jīng)位線110和字線111之一的電流不會使自由磁化層38的磁化反向。因此，僅在交點處的GMR膜30的自由磁化層38的磁化中進行記錄，該交叉點為提供有電流的位線110與提供有電流的用于寫入的字線111的交叉點。源極S側設定為高阻抗，以防止在寫操作中在使電流流經(jīng)位線110時電流流經(jīng)GMR膜30。
同時，磁內存裝置100從GMR膜30讀出信息的操作是通過如下方法進行的向位線110施加相對于源極S的負電壓并向用于讀取的字線109(即柵極G)施加高于MOSFET 102閾值電壓的電壓(正電壓)。因此，MOSFET102導通，從而電子從位線110經(jīng)GMR膜30、源極S和漏極D流至板線108。通過將電流值檢測器118(例如安培計)電連接至板線108來檢測磁阻值，該磁阻值與相對于第二固定磁化層36磁化方向的自由磁化層38磁化方向相對應。由此，可以讀出GMR膜30保存的信息“1”或“0”。
根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的第一實例的磁內存裝置100，GMR膜30的自由磁化層38由CoFeAl形成，從而磁阻變化量ΔRA較大。因此，根據(jù)磁內存裝置100，在讀出信息時分別與保存的“0”和“1”相對應的磁阻值之差較大，從而能夠以高準確度進行讀取。此外，在GMR膜30中，由于自由磁化層38的CoFeAl設定為具有圖8所示范圍ABCDEFA內的成分，因此自由磁化層38的矯頑力小于Co50Fe25Al25(何士勒合金成分)的矯頑力。因此，根據(jù)磁內存裝置100，可以減少寫操作中所施加的磁場，從而可以減少寫操作中流經(jīng)位線110和用于寫入的字線111的電流。因此，根據(jù)磁內存裝置100，可以減少功耗。
請注意構成磁內存裝置100的GMR膜30可由圖3至圖6所示第二至第五實例的GMR膜40、50、60及65中的任一個代替。
圖19為示出形成第一實例磁內存裝置100的變化例的TMR膜結構的示意圖。參照圖19并同時參照圖17A，磁內存裝置100的GMR膜30也可由TMR膜70代替。TMR膜70的結構與形成根據(jù)第二實施方式的磁阻效應元件的第一實例的TMR膜相同。根據(jù)TMR膜70，例如，基礎層31與層內布線115接觸，而保護膜39與位線110接觸。此外，自由磁化層38的易磁化軸以與上述GMR膜30相同的方式設置。在采用TMR膜70時磁內存裝置110的寫操作和讀操作與采用GMR膜30時相同，因此省略其描述。
如第二實施方式中所述，TMR膜70顯示隧道效應，在TMR膜70中，由于自由磁化層38由CoFeAl形成，因此隧道電阻的變化量較大。因此，根據(jù)磁內存裝置100，在讀出信息時與保存的“0”和“1”相對應的隧道電阻值之差較大，從而能夠以高準確度進行讀取。此外，由于自由磁化層38的矯頑力減少，所以TMR膜70的靈敏度較高。因此，根據(jù)磁內存裝置100，可以減少功耗。
請注意第二實施方式的第二至第四實例的TMR膜中的任一個都可以用于構成磁內存裝置的TMR膜。
圖20為根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的第二實例的磁內存裝置120的剖視圖。在圖20中，為相應于上述部件的部件賦予相同的標號，并將省略它們的說明。
參照圖20，磁內存裝置120具有不同于第一實例的磁內存裝置100的用于將信息寫入GMR膜30的機制。除了不設置用于寫入的字線111之外，磁內存裝置120的每個存儲單元具有與圖17A和17B所示存儲單元101相同的結構。下面參照圖20并參照圖17B說明磁內存裝置120。
磁內存裝置120的寫操作不同于第一實例的磁內存裝置100。根據(jù)磁內存裝置120，自旋極化電流Iw注入GMR膜30，并依據(jù)注入電流Iw的方向，將自由磁化層38的磁化方向從相對于第二固定磁化層36的磁化方向的平行狀態(tài)反向為反平行狀態(tài)，或從反平行狀態(tài)反向為平行狀態(tài)。自旋極化電流Iw為電子可采取的兩個自旋方向之一的電子流。通過使自旋極化電流Iw沿Z1方向或者Z2方向流經(jīng)GMR膜30，在自由磁化層38的磁化中產(chǎn)生轉矩，從而產(chǎn)生所謂的自旋轉移磁化轉換(反向)。自旋極化電流Iw的電流量根據(jù)自由磁化層38的膜厚適當?shù)剡x擇，約為幾mA至20mA。自旋極化電流Iw的數(shù)值小于在圖17A所示第一實例的磁內存裝置的寫操作中流經(jīng)位線110和用于寫入的字線111的電流。因此，根據(jù)磁內存裝置120，可以進一步減少功耗。
通過使電流垂直流經(jīng)與GMR膜30具有基本相同結構的多層體，能夠產(chǎn)生自旋極化電流，其中該多層體具有兩個鐵磁層和夾在所述兩個鐵磁層之間的Cu膜。通過使兩個鐵磁層的磁化方向彼此平行或反平行，可控制電子的自旋方向。磁內存裝置120的讀取操作與圖17A所示第一實例的磁內存裝置100的讀取操作相同。
第二實例的磁內存裝置120提供與第一實例的磁內存裝置100相同的效果。此外，根據(jù)第二實例的磁內存裝置120，能夠進一步減少功耗。
請注意磁內存裝置120的GMR膜30可被圖3至圖6所示的第二至第五實例的GMR膜40、50、60及65中的任一個代替，或者可被圖12至圖15所示第一至第四實例的TMR膜中的任一個代替。
此外，盡管在第四實施方式的第一實例和第二實例的磁內存裝置中，在進行寫操作和讀操作時通過MOSFET控制電流方向，但是也可以通過任何其他已知的方法進行這種控制。
盡管在第三實施方式中描述了磁記錄介質為盤形記錄介質的情況，但是本發(fā)明可應用于使用磁帶作為記錄介質的磁帶驅動器。此外，描述了具有磁阻效應元件和記錄元件的磁頭，但是本發(fā)明適用于僅具有一個磁阻效應元件的磁頭或者具有多個磁阻效應元件的磁頭。
盡管描述了優(yōu)選實施方式，但是本發(fā)明不限于具體公開的實施方式，而可在不脫離本發(fā)明范圍的情況下進行多種改變和修改。
本發(fā)明基于并要求2005年8月25日申請的日本在先申請2005-244507和在2006年3月28日申請的日本在先申請2006-087433的優(yōu)先權，在此通過參考援引其全部內容。
權利要求
1.一種磁阻效應元件，其為CPP型，包括固定磁化層；非磁性層；以及自由磁化層，其由CoFeAl形成，其中，CoFeAl的成分落入由在三元成分圖中依次連接點A、B、C、D、E、F和A的多條直線所限定的范圍內，其中點A為(55，10，35)，點B為(50，15，35)，點C為(50，20，30)，點D為(55，25，20)，點E為(60，25，15)，以及點F為(70，15，15)，每個點的成分坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示，每個含量由原子百分比表示。
2.如權利要求1所述的磁阻效應元件，還包括第二非磁性層和另一固定磁化層，其中所述固定磁化層、所述非磁性層、所述自由磁化層、所述第二非磁性層和所述另一固定磁化層依次堆疊。
3.如權利要求1所述的磁阻效應元件，其中CoFeAl的成分落入由在三元成分圖中依次連接點A、B、C、G和A的多條直線所限定的范圍內，其中點A為(55，10，35)，點B為(50，15，35)，點C為(50，20，30)，以及點G為(65，20，15)，各成分的坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示，每個含量由原子百分比表示。
4.如權利要求1所述的磁阻效應元件，其中所述固定磁化層由CoFeAl形成。
5.如權利要求4所述的磁阻效應元件，其中所述固定磁化層的CoFeAl的成分落入由在三元成分圖中依次連接點C、H、I、D和C的多條直線所限定的范圍內，其中點C為(50，20，30)，點H為(40，30，30)，點I為(50，30，20)，以及點D為(55，25，20)，各成分的坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示，每個含量由原子百分比表示。
6.如權利要求2所述的磁阻效應元件，其中所述另一固定磁化層由CoFeAl形成。
7.如權利要求6所述的磁阻效應元件，其中所述另一固定磁化層的CoFeAl的成分落入由在三元成分圖中依次連接點C、H、I、D和C的多條直線所限定的范圍內，其中點C為(50，20，30)，點H為(40，30，30)，點I為(50，30，20)，以及點D為(55，25，20)，各成分的坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示，每個含量由原子百分比表示。
8.如權利要求1所述的磁阻效應元件，其中所述固定磁化層包括依次疊置的第一固定磁化層、非磁性耦合層和第二固定磁化層，以使所述第二固定磁化層與所述非磁性層接觸，而且所述第二固定磁化層由CoFeAl形成。
9.如權利要求8所述的磁阻效應元件，其中所述第二固定磁化層的CoFeAl的成分落入由在三元成分圖中依次連接點C、H、I、D和C的多條直線所限定的范圍內，其中點C為(50，20，30)，點H為(40，30，30)，點I為(50，30，20)，以及點D為(55，25，20)，各成分的坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示，每個含量由原子百分比表示。
10.如權利要求2所述的磁阻效應元件，其中所述固定磁化層和所述另一固定磁化層均包括依次疊置的第一固定磁化層、非磁性耦合層和第二固定磁化層，并且所述第二固定磁化層由CoFeAl形成。
11.如權利要求10所述的磁阻效應元件，其中所述第二固定磁化層的CoFeAl的成分落入由在三元成分圖中依次連接點C、H、I、D和C的多條直線所限定的范圍內，其中點C為(50，20，30)，點H為(40，30，30)，點I為(50，30，20)，以及點D為(55，25，20)，各成分的坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示，每個含量由原子百分比表示。
12.如權利要求1所述的磁阻效應元件，還包括界面磁層，其由鐵磁材料形成，且形成在所述自由磁化層的至少一側。
13.如權利要求1所述的磁阻效應元件，其中所述非磁性層由導電材料形成。
14.如權利要求1所述的磁阻效應元件，其中所述非磁性層由絕緣材料形成。
15.如權利要求1所述的磁阻效應元件，其中CoFeAl的電阻率ρ等于或大于50μΩcm且等于或小于300μΩcm，且CoFeAl的自旋相關體積散射系數(shù)β設定為滿足關系式β≥ρ-0.4。
16.一種磁頭，包括襯底，其形成磁頭滑動器的基部；以及如權利要求1所述的磁阻效應元件，其形成在所述襯底上。
17.一種磁存儲裝置，包括磁記錄介質；以及磁頭，其讀取記錄在該磁記錄介質上的信息，該磁頭包括如權利要求1所述的磁阻效應元件。
18.一種磁內存裝置，包括磁阻效應膜，其為CPP型，并具有固定磁化層、非磁性層和自由磁化層；寫裝置，用以通過將磁場施加至所述磁阻效應膜而使所述自由磁化層的磁化取向為預定方向；以及讀裝置，用以通過將感測電流施加至所述磁阻效應膜而檢測電阻值，其中，所述自由磁化層由CoFeAl制成，而且CoFeAl的成分落入由在三元成分圖中依次連接點A、B、C、D、E、F和A的多條直線所限定的范圍內，其中點A為(55，10，35)，點B為(50，15，35)，點C為(50，20，30)，點D為(55，25，20)，點E為(60，25，15)，以及點F為(70，15，15)，每個點的成分坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示，每個含量由原子百分比表示。
19.如權利要求18所述的磁內存裝置，還包括第二非磁性層和另一固定磁化層，其中所述固定磁化層、所述非磁性層、所述自由磁化層、所述第二非磁性層和所述另一固定磁化層依次堆疊。
20.如權利要求18所述的磁內存裝置，所述寫裝置施加第一磁場和第二磁場以控制所述自由磁化層的磁化方向，其中第一磁場平行于所述磁阻效應膜的膜表面且沿著所述自由磁化層的多個易磁化軸方向的其中之一，第二磁場基本平行于所述膜表面且沿著與所述第一磁場成預定角度的方向。
21.如權利要求20所述的磁內存裝置，還包括位線、字線和具有控制電極和兩個電流供應電極的MOS晶體管，其中，所述字線電連接至所述控制電極；所述磁阻效應膜電連接在所述位線與所述兩個電流供應電極中的一個電流供應電極之間；以及所述讀裝置通過為所述字線設置預定電壓而導通所述MOS晶體管，以使感測電流在所述位線與所述一個電流供應電極之間流動，用以檢測磁阻值。
22.如權利要求18所述的磁內存裝置，其中所述寫裝置通過將具有自旋極化電子流引入所述磁阻效應膜，控制所述自由磁化層的磁化方向。
23.如權利要求22所述的磁內存裝置，還包括位線、字線和具有控制電極和兩個電流供應電極的MOS晶體管，其中，所述字線電連接至所述控制電極；所述磁阻效應膜電連接在所述位線與所述兩個電流供應電極中的一個電流供應電極之間；以及所述讀裝置通過為所述字線設置預定電壓而導通所述MOS晶體管，以使感測電流在所述位線與所述一個電流供應電極之間流動，用以檢測磁阻值。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁阻效應元件、磁頭、磁存儲裝置及磁內存裝置。本發(fā)明公開一種CPP型磁阻效應元件，包括固定磁化層；非磁性層；以及由CoFeAl形成的自由磁化層。CoFeAl的成分落入由在三元成分圖中依次連接點A、B、C、D、E、F和A的多條直線所限定的范圍內。點A為(55，10，35)，點B為(50，15，35)，點C為(50，20，30)，點D為(55，25，20)，點E為(60，25，15)，以及點F為(70，15，15)，其中每個點的成分坐標由(Co含量，F(xiàn)e含量，Al含量)表示，每個含量由原子百分比表示。
文檔編號G11B5/39GK1921167SQ20061009253
公開日2007年2月28日 申請日期2006年6月15日 優(yōu)先權日2005年8月25日
發(fā)明者城后新, 大島弘敬, 長坂惠一 申請人:富士通株式會社