專利名稱：磁電阻效應(yīng)元件、磁頭和磁再現(xiàn)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁電阻效應(yīng)元件、磁頭和磁再現(xiàn)設(shè)備，尤其涉及具有使讀出電流在垂直于磁電阻效應(yīng)膜的膜表面的方向上流動的結(jié)構(gòu)的磁電阻效應(yīng)元件和使用該磁電阻效應(yīng)元件的磁頭與磁再現(xiàn)設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年來，磁記錄介質(zhì)的致密性和容量的提高已經(jīng)得到發(fā)展，并且在信息讀出時用于再現(xiàn)的磁頭與磁記錄介質(zhì)之間的相對速度被降低。因此，人們熱切期望磁電阻效應(yīng)磁頭(MR頭)能夠以更低的相對速度得到大的輸出。
對于這種期望，報告了一個例子，其中大的磁電阻效應(yīng)通過具有鐵磁層/非磁性層/鐵磁層夾層結(jié)構(gòu)的多層膜的元件來實現(xiàn)，這里并不反鐵磁耦合鐵磁層。即，通過對夾住非磁性層(稱為“間隔層”或“中間層”)的兩個鐵磁層之一(稱為“被釘扎層”或“磁化被釘扎層”)施加交換偏置磁場來釘扎磁化，同時通過外部磁場(信號磁場)對另一個鐵磁層(稱為“自由層”或“磁化自由層”)進行磁化反轉(zhuǎn)。這樣，通過在設(shè)置成非磁性層夾于其間的兩個鐵磁層之間改變磁化方向的相對角度得到大的磁電阻效應(yīng)。這種類型的多層膜稱為“自旋閥”。
這種自旋閥可由低的磁場使磁化飽和，自旋閥適合于MR磁頭并且已經(jīng)得到實際應(yīng)用。但是，它的磁電阻變化率最大約為20％。
磁電阻效應(yīng)元件分類為CIP(電流在平面內(nèi))類型結(jié)構(gòu)和CPP(電流垂直于平面)類型結(jié)構(gòu)，前者是讀出電流在平行于元件膜表面的方向上流動，后者是讀出電流在垂直于元件膜表面的方向上流動。已經(jīng)獲知CPP類型的磁電阻效應(yīng)元件表現(xiàn)出大約10倍于CIP類型磁電阻效應(yīng)元件的磁電阻變化率(參見J.Phys.Condens.Matter.，Vol.11，p.5717(1999))。不可能實現(xiàn)磁電阻變化率100％。
但是，在自旋閥結(jié)構(gòu)的情況下，自旋相關(guān)層的總膜厚非常薄，并且界面數(shù)很小。因此，當(dāng)電流在CPP類型元件中垂直流動時，其電阻本身很小，并且輸出絕對值也很小。
與此相反，設(shè)計在自旋閥膜中插入包括絕緣體的電流增加層的技術(shù)，以提高磁電阻效應(yīng)(MR)(參見J.Appl.Phys.89，p6943(2001))。在該技術(shù)中，自旋閥包括自旋相關(guān)地散射電子的部分(被釘扎層/間隔層/自由層)和具有小的自旋相關(guān)散射的部分(緩沖層、反鐵磁層、保護層等)。當(dāng)以Rsd表示前者電阻并且以Rsi表示后者電阻時，自旋閥的MR可表示為MR＝ΔRsd/(Rsi+Rsd)。由于關(guān)注MR隨著Rsd大于Rsi而進一步提高的現(xiàn)象，因此，如上所述，插入包括絕緣體的電流增加層。
另一方面，還報告了通過在CPP類型的MR元件中插入厚1nm的由Cu構(gòu)成的自旋過濾層來提高MR的嘗試(參見IEEETrans.Magn.38，2277(2002))。

發(fā)明內(nèi)容
但是，當(dāng)在J.Appl.Phys.，89，p.6943(2001)中公開的該技術(shù)的基礎(chǔ)上將絕緣體等插入到自旋閥的中央部分時，出現(xiàn)形成自旋閥的膜其結(jié)晶性被破壞的問題。自旋閥基本上由晶體結(jié)構(gòu)為fcc的多晶薄膜構(gòu)成，并且晶體通常取向在面(111)上。結(jié)晶的質(zhì)量在下面的三個方面影響CPP-GMR的MR。
第一方面是被釘扎層/間隔層/自由層之間的每個界面的銳度(陡峭性)。這些界面通過“自旋相關(guān)界面散射”對MR作出貢獻。當(dāng)由于界面混合或界面不規(guī)則的影響而使得界面不尖銳時，界面電阻增高而與自旋不相關(guān)。結(jié)果，自旋相關(guān)界面散射因子被惡化，從而MR降低。
第二方面是被釘扎層和自由層內(nèi)的取向。由鐵磁材料制成的被釘扎層和自由層通過這些層內(nèi)的“自旋相關(guān)體散射”而對MR作出貢獻。當(dāng)結(jié)晶取向被降低時，電子的“自旋相關(guān)散射因子”被惡化，從而MR降低。
第三方面是間隔層的結(jié)晶取向。當(dāng)膜中的缺陷增多時，電子的自旋擴散長度(到電子自旋被反轉(zhuǎn)前的距離)被縮短，從而MR降低。
由于上述原因，重要的是將由于絕緣層的插入引起的自旋閥的結(jié)晶取向惡化抑制到最小。
本發(fā)明基于對這些問題的認識而作出，且提供一種磁電阻效應(yīng)元件，通過在自由層和保護層之間插入包括用于提高結(jié)晶性的非磁性金屬的自旋過濾層來抑制上述結(jié)晶取向的惡化或恢復(fù)結(jié)晶取向，從而實現(xiàn)高的磁電阻變化量，并且提供使用這種磁電阻效應(yīng)元件的磁頭和磁再現(xiàn)設(shè)備。
為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，磁電阻效應(yīng)元件包括磁化被釘扎層、磁化自由層、非磁性金屬層、電阻增加層、自旋過濾層和一對電極。磁化被釘扎層包括將磁化方向基本上釘扎在一個方向上的磁性材料膜。磁化自由層包括磁化方向響應(yīng)于外部磁場而改變的磁性材料膜。非磁性金屬層設(shè)置在磁化被釘扎層和磁化自由層之間。電阻增加層包括絕緣部分和電連接電阻增加層的兩個膜表面的導(dǎo)電部分，并且設(shè)置在磁化被釘扎層、磁化自由層和非磁性金屬層的至少一個層中。自旋過濾層設(shè)置成與磁化自由層相鄰并且具有5nm到20nm范圍的厚度。磁化自由層設(shè)置在自旋過濾層和非磁性金屬層之間。磁化被釘扎層、磁化自由層、非磁性金屬層、電阻增加層和自旋過濾層設(shè)置在該對電極之間。電流在該對電極之間在基本垂直于磁化被釘扎層、磁化自由層、非磁性金屬層，電阻增加層和自旋過濾層的膜表面的方向上流動。
而且，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，磁頭包括該磁電阻效應(yīng)元件。
另外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，磁再現(xiàn)設(shè)備包括該磁頭并且可讀出磁記錄在磁記錄介質(zhì)中的信息。
如上面具體所述，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，由于提供電阻增加層與厚度在5nm到20nm范圍的自旋過濾層，可獲得高絕對值電阻和大磁電阻效應(yīng)。
結(jié)果，可提供一種甚至在高的記錄密度下也能夠以高靈敏度穩(wěn)定獲取磁檢測并具有大的輸出和高S/N比的磁頭，還可提供包括該磁頭的磁再現(xiàn)設(shè)備以及高集成的磁存儲器。從而，本發(fā)明在工業(yè)上可產(chǎn)生很大的利益。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁電阻效應(yīng)元件的主要部分截面結(jié)構(gòu)的典型視圖；圖2是表示磁電阻效應(yīng)元件的磁電阻變化量MR[％]的曲線；圖3是表示在CIP類型GMR元件和CPP類型GMR元件的每一個中提供Cu層作為自旋過濾層時MR的變化的曲線；圖4是表示第一實施例的改進例子的典型截面圖；圖5是表示第一實施例的改進例子的典型截面圖；圖6是表示第一實施例的改進例子的典型截面圖；圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁電阻效應(yīng)元件的主要部分截面結(jié)構(gòu)的典型視圖；圖8是表示第二實施例的改進例子的典型截面圖；圖9是表示第二實施例的改進例子的典型截面圖；圖10是表示第二實施例的改進例子的典型截面圖；圖11是表示根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁電阻效應(yīng)元件的主要部分截面結(jié)構(gòu)的典型視圖；圖12是表示第三實施例的改進例子的典型截面圖；圖13是表示第三實施例的改進例子的典型截面圖；圖14是表示第三實施例的改進例子的典型截面圖；圖15是表示自旋過濾層SF具有層疊結(jié)構(gòu)的磁電阻效應(yīng)元件的截面結(jié)構(gòu)的典型視圖；圖16是表示電阻增加層RI插入間隔層S和自由層F的每一個中的自旋閥結(jié)構(gòu)的典型視圖；圖17是表示在間隔層S中提供兩個電阻增加層RI的自旋閥結(jié)構(gòu)的典型視圖；圖18是表示將自旋閥膜的層疊順序反轉(zhuǎn)的具體例子的典型視圖；圖19是典型表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的磁電阻效應(yīng)元件的主要部分的配置的示意圖；圖20是典型表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的磁電阻效應(yīng)元件的主要部分的配置的示意圖；圖21是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的磁記錄再現(xiàn)設(shè)備的概要配置的主要部分的透視圖；圖22是從盤側(cè)觀察致動器臂155前面的磁頭組件的放大透視圖；圖23是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的磁存儲器的矩陣配置的示意圖；圖24是表示磁存儲器的矩陣結(jié)構(gòu)的另一個特例的示意圖；圖25是表示根據(jù)本發(fā)明的該實施例的磁存儲器主要部分的截面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖26是沿著圖24的A-A’線截取的截面圖。
具體實施例方式
下面參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
(第一實施例)圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁電阻效應(yīng)元件的主要部分截面結(jié)構(gòu)的典型視圖。
即，該實施例的磁電阻效應(yīng)元件具有在下電極LE和上電極UE之間設(shè)置包括自旋閥結(jié)構(gòu)的層疊膜的結(jié)構(gòu)。讀出電流可在基本垂直于自旋閥的膜厚的方向上流經(jīng)下電極LE和上電極UE，并且實現(xiàn)CPP類型的GMR。
接著解釋該實施例的自旋閥結(jié)構(gòu)。提供第一被釘扎層(磁化被釘扎層)P1、第二被釘扎層(磁化被釘扎層)P2、自由層(磁化自由層)F、和設(shè)置于層P1/P2與層F之間的間隔層(非磁性金屬層)S。
這里，第一被釘扎層P1的磁化通過與該第一被釘扎層P1相鄰的反鐵磁層AF基本上被釘扎在一個方向上。而且，第二被釘扎層P2的磁化通過磁化反平行耦合層AC被釘扎在與第一被釘扎層P1相反的方向上。
此外，自由層F包括鐵磁材料膜，其磁化隨著外部磁場而變化。與此相反，間隔層S具有阻擋第二被釘扎層P2與自由層F之間的磁耦合的作用。在該實施例中，間隔層S具有按順序?qū)盈B金屬層M1、電阻增加層RI和金屬層M2的結(jié)構(gòu)。金屬層M1，M2由非磁性金屬制成。與此不同，電阻增加層RI具有絕緣部分RIa和通過絕緣部分RIa的一部分大約在厚度方向上延伸的并且由非磁性材料制成的導(dǎo)電部分RIb。在電阻增加層R(導(dǎo)電部分RIb)與金屬層M1，M2之間形成歐姆接觸。即，電阻增加層RI增加磁電阻效應(yīng)元件的電阻并且讀出電流在垂直于膜表面的方向上的傳導(dǎo)通過導(dǎo)電部分RIb得到保證。
使用電阻增加層RI增加磁電阻效應(yīng)(MR)作如下解釋。亦即，從傳導(dǎo)電子是否被自旋相關(guān)散射的觀點看，垂直傳導(dǎo)型自旋閥可一分為二。一個是對自旋相關(guān)散射有貢獻的部分(被釘扎層/間隔層/自由層)，另一個是與自旋無關(guān)的部分(緩沖層、保護層、反鐵磁層等)。這里，前者電阻用Rsd表示并且后者電阻用Rsi表示。當(dāng)在對自旋相關(guān)散射有貢獻的部分中提供電阻增加層時，電阻Rsd對電阻Rsi的比率提高，從而可提高MR＝ΔRsd/(Rsd+Rsi)。已知當(dāng)在間隔層中實際插入電阻增加層RI時，與不插入電阻增加層RI的情況相比，MR可提高大約8倍。
下電極LE通過緩沖層BF設(shè)置在反鐵磁層AF下面。與此相反，自旋過濾層SF層疊在自由層上，并且上電極UE通過保護層PL設(shè)置在自旋過濾層SF上。
保護層PL具有在磁電阻效應(yīng)元件制造期間保護形成自旋閥結(jié)構(gòu)的每個層免受例如蝕刻氣體、等離子體等破壞的作用。因此保護層PL的材料優(yōu)選是物理或化學(xué)耐久性高并且不活潑的材料。尤其優(yōu)選是使用鉭(Ta)、鈦(Ti)、銣(Ru)和金(Au)之一。
保護層PL通常設(shè)置在自旋閥結(jié)構(gòu)的有源部分的正上方。即，在反鐵磁層設(shè)置在下面的所謂“底型”自旋閥的情況下，保護層PL設(shè)置在自由層上方。在反鐵磁層設(shè)置在上面的所謂“頂型”自旋閥的情況下，保護層PL設(shè)置在反鐵磁層上方。在具有2個被釘扎層的所謂“雙型”的情況下，保護層PL設(shè)置在反鐵磁層上方。
與此相反，在該實施例中，自旋過濾層SF設(shè)置在保護層PL的正下方。這樣，可排除在自旋閥有源部分和保護層SF之間的界面處的混合等，并且可促進自旋閥的結(jié)晶性提高。
在具有上面解釋的結(jié)構(gòu)的磁電阻效應(yīng)元件中，制備從下電極LE看依次具有如下的各層材料和膜厚的樣品。即，緩沖層BF是Ta5nm/Ru2nm。反鐵磁層AF是PtMn 15nm。被釘扎層P1為Co90Fe103nm。磁化反平行耦合層AC是Ru 1nm。被釘扎層P2為Co90Fe103nm。間隔層S為Cu 0.2nm(金屬層M1)/AlOx1.5nm(電阻增加層的絕緣部分RIa)和Cu(電阻增加層RI的導(dǎo)電部分RIb)/Cu 0.5nm(金屬層M2)。自由層F是Co90Fe101nm/Ni80Fe203.5nm。自旋過濾層SF為Cu 0nm到50nm。保護層PL為Ta 20nm。
圖2是表示磁電阻效應(yīng)元件的磁電阻變化量MR[％]的曲線。即，圖2的橫坐標(biāo)軸表示自旋過濾層SF的厚度，縱坐標(biāo)軸表示磁電阻變化量MR(＝AΔR/AR)，其中A表示區(qū)域元件大小，R表示樣品的電阻。在該圖中，“例1”表示該實施例的結(jié)果。
如圖2所示，當(dāng)沒有自旋過濾層SF(厚度為0)時，MR為3.5％。與此不同，當(dāng)厚為1nm的Cu層作為自旋過濾層SF提供時，可以看到MR提高到4.0％。作為這種MR提高的原因，認為是在NiFe/Cu界面(當(dāng)提供自旋過濾層SF時)處自旋相關(guān)散射大于NiFe/Ta界面處(當(dāng)沒有自旋過濾層SF時)的。因此，可以看到將Cu作為自旋過濾層SF插入可有效提高MR。
在該實施例中，當(dāng)用作自旋過濾層SF的Cu層作得厚于1nm時，MR進一步提高，直到Cu層具有20nm厚度。此后MR基本上飽和。因此，如圖2的虛線所示，可以發(fā)現(xiàn)將自旋過濾層SF設(shè)置為2nm或更大，尤其是厚度為10nm或更大，對于MR提高是非常有效的。提供更顯著效果的膜厚是5nm或更大并且20nm或更小。
在CIP型GMR元件的自旋閥中提供自旋過濾層的結(jié)構(gòu)已經(jīng)公知(參見美國專利No.6,338,899)。但是，美國專利No.6,338,899的目的不同于本實施例，其是為了使用讀出電流控制對自由層的偏置磁場。
圖3是表示在CIP類型GMR元件和CPP類型GMR元件的每一個中提供Cu層作為自旋過濾層時MR的變化的曲線。
即，在CIP-GMR元件的情況下，MR通過設(shè)置幾個nm或更小的薄自旋過濾層而得到提高。但是，自旋過濾層的厚度厚于該厚度時，由于旁路電流而損壞MR，從而MR突然降低。
與此不同，當(dāng)根據(jù)本實施例提供Cu的自旋過濾層SF并且其膜厚從1nm開始變化時，MR進一步被提高，在膜厚超出20nm后飽和。即，與CIP型元件相比，當(dāng)在CPP型元件中提供厚的自旋過濾層SF時得到MR的顯著提高。
順便提及，IEEE Trans.Magn.38，p.2277(2002)公開了大約厚1nm的Cu層插入CPP-GMR元件中。但是，該公開的技術(shù)的目的是使用在自旋相關(guān)界面散射方面大于自由層/保護層界面的自由層/自旋過濾層界面的組合。即，該公開的技術(shù)關(guān)注自旋過濾層的界面的效果，并且沒有講解或建議使其膜厚厚于在相關(guān)技術(shù)的自旋過濾層中通常使用的膜厚(大約1nm)。
與此相反，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過提供具有其厚度概念上超出相關(guān)技術(shù)的“自旋過濾層”厚度的自旋過濾層SF可顯著提高MR，如圖2所示。在該實施例中，結(jié)晶性的改善被視為是通過提供2nm或更大厚度的自旋過濾層SF使MR明顯提高的原因之一。
即，當(dāng)圖1所示的層疊結(jié)構(gòu)從下電極LE開始順序形成時，形成非晶AlOx，作為間隔層S中包含的電阻增加層RI的絕緣部分RIa。因此，其上形成的金屬層M2的結(jié)晶性、電阻增加層RI中的導(dǎo)電部分RIB的結(jié)晶性和自由層F的結(jié)晶性易于降低。對于這種降低，當(dāng)Cu自旋過濾層SF在自由層F上形成得厚時，自旋過濾層SF的結(jié)晶性被提高。它表現(xiàn)為當(dāng)自旋過濾層SF的該結(jié)晶性得到提高時，自旋閥的結(jié)晶性也得到提高。即，它表現(xiàn)為由于在自由層F上形成的金屬層(自旋過濾層SF)的結(jié)晶性提高，由于自旋過濾層SF中的這種提高的影響而在下自由層F、再下一金屬層M2和導(dǎo)電部分RIb的結(jié)晶性中產(chǎn)生退火作用或緩沖作用。結(jié)果，自由層F、金屬層M2和導(dǎo)電部分RIb的結(jié)晶性得到提高。
CPP-GMR的起源是兩種散射，即(1)鐵磁層中自旋相關(guān)體散射和(2)非磁性層與鐵磁層之間的界面處的自旋相關(guān)界面散射。由(3)除這兩個散射外的散射所產(chǎn)生的電阻僅引起MR降低。當(dāng)將其應(yīng)用于實施例時，被釘扎層P和自由層F中的電阻對應(yīng)于(1)自旋相關(guān)體散射，并且間隔層S和被釘扎層P的界面處以及間隔層S和自由層F的界面處的電阻對應(yīng)于(2)自旋相關(guān)界面散射。當(dāng)通過提高自旋過濾層SF的厚度提高結(jié)晶性時，(1)和(2)被提高而(3)被降低，從而MR可被提高。接著將參考在間隔層S中提供電阻增加層RI的情況對此進行解釋。
第一個原因是由于自由層F的結(jié)晶性提高而使得自旋相關(guān)體散射(1)提高。當(dāng)在自由層F內(nèi)存在缺陷、取向干擾等時，不僅具有下自旋的傳導(dǎo)電子散射，而且具有上自旋的電子也散射。因此，兩種電子之間的電阻差，即自旋相關(guān)散射因子降低。這里，當(dāng)自旋過濾層SF的插入而提高了由于電阻增加層的插入而導(dǎo)致惡化的結(jié)晶性時，具有上自旋的電子不被散射，因此自旋相關(guān)體散射被提高，并且從而MR也被提高。
第二個原因是由于自由層F和金屬層M2的界面的改進使得(2)自旋相關(guān)界面散射的提高。當(dāng)界面被電阻增加層RI干擾、原子水平的平整度喪失并且混合增加時，具有上自旋的電子與具有下自旋的電子一樣也被散射。因此，這些電子之間的電阻差，即自旋相關(guān)散射因子降低。這里，當(dāng)通過自旋過濾層SF改進金屬層M2和自由層F之間的界面時，不會對上自旋施加不必要的散射，并且自旋相關(guān)界面散射接近理想膜，即，沒有混合的平整狀態(tài)，因此MR被提高。
第三個原因是由于間隔層S的結(jié)晶性提高使得(3)與自旋無關(guān)的電阻降低。間隔層S包括具有小電阻的金屬部分(金屬層M1，M2、導(dǎo)電部分RIb)和具有大電阻的絕緣部分RIa。當(dāng)傳導(dǎo)電子經(jīng)受除自旋相關(guān)散射外的散射時，提高不必要電阻，從而MR降低。因此，理想的是自旋極化傳導(dǎo)電子通過間隔層S中的金屬部分而不散射。從而，優(yōu)選的是散射因子，諸如缺陷、雜質(zhì)等在間隔層S中的金屬部分中盡可能小。當(dāng)自旋過濾層SF提高結(jié)晶性時，與自旋無關(guān)的散射降低，從而MR可被提高。
如上所述，最佳自旋過濾層SF在MR提高中非常有效。
另外，自由層F的磁特性也與導(dǎo)電性改善同樣得到改善。當(dāng)自由層F的結(jié)晶取向惡化時，作為器件特性必備的軟磁特性和磁應(yīng)變特性惡化。這些是對信號磁場的靈敏度方面重要的特性。因此，通過自旋過濾層SF提高自由層F的磁特性是一個明顯效果。
這樣，最佳自旋過濾層SF對于提高元件總性能是非常有效的。
上面的解釋涉及電阻增加層RI存在于間隔層S中的情況。但是，當(dāng)電阻增加層RI插入到自由層F和/或被釘扎層P中時也得到類似效果。
例如，甚至在將電阻增加層RI設(shè)置在被釘扎層P中時，通過改善被釘扎層/間隔層界面和間隔層/被釘扎層界面可提高(1)被釘扎層P和自由層F中的自旋相關(guān)體散射和(2)自旋相關(guān)界面散射。另外，限制間隔層S中(3)與自旋無關(guān)的散射，提高了MR。
此外，甚至在將電阻增加層RI設(shè)置在自由層F中時，自由層F的結(jié)晶性也被提高。因此，提高自由層F中的(1)自旋相關(guān)體散射，提高了MR。
作為本發(fā)明人研究的結(jié)果，如圖2和3所示，在除Cu外，還將下面的列舉出的材料用作自旋過濾層SF的材料時，也可得到MR的提高。即，可列舉出Au，Ag，Pt，Cr，Ti，Zn，Zr，Nb，Pd，Rh，Ru，Mo，Hf，Ta和(Ni1-xFex)1-yCry(15＜x＜25且20＜y＜45)合金作為除Cu外的自旋過濾層SF的材料。此外，自旋過濾層SF可具有組合了這些材料的層疊結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)從自由層側(cè)開始按Cu 2nm/Ru 5nm層疊的結(jié)構(gòu)用作自旋過濾層SF時也可得到類似效果。
尤其，Cu，Ru和(Ni1-xFex)1-yCry(15＜x＜25且20＜y＜45)合金作為自旋過濾層SF的材料是非常有效的，因為其晶體結(jié)構(gòu)或晶格常數(shù)與通常使用的自旋閥的晶體結(jié)構(gòu)的fcc(111)相同或相近。此外，在通過提高自旋閥總的膜厚來提高整個結(jié)晶性的意義上講，其他材料是有效的。
另一方面，包括從Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Hf、Ta和W構(gòu)成的組中選出的至少一種元素的氧化物、氮化物或氟化物等的高電阻材料可用作電阻增加層RI的絕緣部分RIa的材料。由于甚至在這些材料的薄膜中可獲得高電阻，因此可獲得由于電阻提高而導(dǎo)致的MR的提高效果。當(dāng)電阻增加層RI的絕緣部分RIa包括這些材料至少之一時，MR易于通過降低在該絕緣部分RIa上形成的自由層的結(jié)晶性而受到限制。與此不同，根據(jù)本實施例，自由層F的結(jié)晶性通過提供厚的自旋過濾層SF而得到提高，因此顯著提高MR。
圖4到圖6是表示第一實施例的改進例子的典型截面圖。對于這些附圖，與參考圖1到3提到的元件類似的元件以相同參考序號表示，省略其具體解釋。
即，如圖4所示，從下電極LE側(cè)觀察間隔層S時，間隔層S具有金屬層M1和電阻增加層RI的層疊結(jié)構(gòu)。另外，如圖5所示，間隔層S具有電阻增加層RI和金屬層M2的層疊結(jié)構(gòu)。并且，如圖6所示，間隔層S僅具有電阻增加層RI。
在這些改進的每一個例子中，通過如圖2和3所示增加自旋過濾層SF的膜厚得到MR提高效果。
(第二實施例)
作為本發(fā)明的第二實施例將描述將厚的自旋過濾層SF插入到包括自由層中的電阻增加層的自旋閥膜中的CCP類型GMR元件。
圖7是表示該實施例的磁電阻效應(yīng)元件的主要部分截面結(jié)構(gòu)的典型視圖。圖7中，與圖1到6所示的結(jié)構(gòu)中類似的元件以相同的參考序號表示，其具體解釋從略。
該實施例的磁電阻效應(yīng)元件也具有包括被釘扎層、自由層和設(shè)置于二者之間的間隔層S的自旋閥結(jié)構(gòu)。這些層的每一個具有上述第一實施例中提到的功能。但是，在本實施例中，間隔層S包括非磁性材料制成的單層。自由層包括第一自由層F1、第二自由層F2和設(shè)置在二者之間的電阻增加層RI。第一和第二自由層F1，F(xiàn)2是磁性材料制成的層并且包括磁化可根據(jù)外磁場改變的鐵磁膜。另一方面，電阻增加層RI具有絕緣部分RIa和大約通過絕緣部分RIa的一部分在厚度方向上類似于第一實施例的上述電阻增加層RI那樣地延伸的導(dǎo)電部分RIb。導(dǎo)電部分RIb由諸如NixFe1-x的鐵磁材料制成。在電阻增加層R(導(dǎo)電部分RIb)與第一和第二自由層F1，F(xiàn)2之間形成歐姆接觸。即，電阻增加層RI增加磁電阻效應(yīng)元件的電阻并且讀出電流在垂直于膜表面的方向上的傳導(dǎo)通過其導(dǎo)電部分RIb得到保證。
在該磁電阻效應(yīng)元件中，從下電極LE看以如下順序制備樣品。即，緩沖層BF是Ta 5nm/Ru 2nm。反鐵磁層AF是PtMn 15nm。第一被釘扎層P1為Co90Fe103nm。磁化反平行耦合層AC是Ru 1nm。第二被釘扎層P2為Co90Fe103nm。間隔層S為Cu 5nm。自由層F是Co90Fe101nm(第一自由層F1)/Ni80Fe203.5nm(第一自由層F1)/AlO1.5nm(電阻增加層RI的絕緣部分RIa)和Ni80Fe20(電阻增加層RI的導(dǎo)電部分RIb)/Ni80Fe200.5nm(第二自由層F2)。自旋過濾層SF為Cu0nm到50nm。保護層PL為Ta 20nm。即，Co90Fe101nm/Ni80Fe203.5nm的層疊結(jié)構(gòu)用作第一自由層F1。
圖2的“例2”表示這些樣品的磁電阻變化量MR[％]。
即，當(dāng)沒有自旋過濾層SF(0nm)時，MR為3.6％。與此不同，當(dāng)厚為1nm的Cu層作為自旋過濾層SF設(shè)置時，可以發(fā)現(xiàn)MR提高到3.8％。認為這種MR提高的原因取決于由于自旋過濾層SF的插入引起的界面效應(yīng)。即，它表現(xiàn)為由于與自由層/保護層相比，自由層/自旋過濾層界面處自旋相關(guān)界面散射提高，從而MR提高。
另外，根據(jù)本實施例，當(dāng)用作自旋過濾層SF的Cu的膜厚從1nm開始變化時，MR提高，直到其變?yōu)?0nm，此后接近飽和。因此，如圖2的虛線所示，可以發(fā)現(xiàn)將自旋過濾層SF的厚度設(shè)置為2nm或更大，尤其是厚度為10nm或更大，對于MR提高是非常有效的。提供更顯著效果的膜厚是5nm或更大并且20nm或更小。
還表現(xiàn)出MR的這種提高的原因之一是類似于第一實施例所述的結(jié)晶性的提高。即，在本實施例中，包括非晶絕緣部分RIa的電阻增加層RI插入到自由層中。因此，在電阻增加層RI上形成的第二自由層F2的結(jié)晶性易于降低。對這一點，當(dāng)包括Cu等的自旋過濾層SF被厚厚地形成在第二自由層F2上時，該自旋過濾層SF的結(jié)晶性被提高。它表現(xiàn)為根據(jù)該提高，第二自由層F2的結(jié)晶性也被提高。表現(xiàn)出利用作為自旋過濾層SF提供的退火作用或緩沖作用提高第二自由層F2的結(jié)晶性的結(jié)果，其磁性能提高，從而MR提高。
在本實施例中，當(dāng)除Cu外還將Au、Ag、Pt、Cr、Ti、Zn、Zr、Nb、Pt、Pd、Rh、Ru、Mo、Hf、Ta和(Ni1-xFex)1-yCry(15＜x＜25且20＜y＜45)合金作為自旋過濾層SF的材料時也得到同樣效果。此外，當(dāng)使用包括這些材料的組合的層疊結(jié)構(gòu)時獲得類似的MR提高效果，例如層疊結(jié)構(gòu)從自由層F側(cè)看按順序包括Cu 2nm/(Ni1-xFex)1-yCry(15＜x＜25且20＜y＜45)合金6nm。
類似于第一實施例中所描述材料的材料可用作電阻增加層RI的絕緣部分RIa的材料。
另外，在下面的改進的例子中，可實現(xiàn)類似效果。即，只要自由層F中與間隔層S相鄰的第一自由層F1的區(qū)域由鐵磁材料構(gòu)成，第一自由層F1的其他部分、導(dǎo)電部分RIb和第二自由層F2可由非磁性材料構(gòu)成。
圖8到圖10是表示本實施例的改進例子的典型截面圖。圖8到圖10中，類似于圖1到7中所描述元件的元件以相同參考序號表示，省略其具體解釋。
即，如圖8所示，自由層F中的電阻增加層RI設(shè)置成與自旋過濾層SF相鄰，或者如圖9所示，也可設(shè)置成與間隔層S相鄰。否則，如圖10所示，整個自由層F也可形成為電阻增加層RI。在這種情況下，導(dǎo)電部分RIb由磁性材料制成，并且其磁化可根據(jù)外部磁場旋轉(zhuǎn)。在每個改進的例子中，如圖2所示通過增加自旋過濾層SF的膜厚得到MR提高效果。
電流大部分被限定在如圖8所示的自旋閥中自由層F的導(dǎo)電部分RIb中。因此，自旋閥的各層的電阻中，由于導(dǎo)電部分RIb的自旋相關(guān)體散射引起的電阻大部分反映在MR中。而且，由于導(dǎo)電部分RIb存在于電阻增加層中，單獨導(dǎo)電部分RIb的結(jié)晶性差并且自旋相關(guān)體散射因子降低。對于這一點，根據(jù)本實施例，當(dāng)自旋過濾層SF形成得很厚并且與自旋過濾層SF相鄰的導(dǎo)電部分RIb的結(jié)晶性提高時，提高自旋相關(guān)體散射因子，從而MR提高。
(第三實施例)作為本發(fā)明的第三實施例描述的是將厚自旋過濾層SF插入到包括被釘扎層中的電阻增加層的自旋閥膜中的CPP型GMR元件。
圖11是表示本實施例的磁電阻效應(yīng)元件的主要部分截面結(jié)構(gòu)的典型視圖。圖11中，與參考圖1到10所示所述元件類似的元件以相同的參考序號表示，其具體解釋從略。
本實施例的磁電阻效應(yīng)元件也具有包括被釘扎層P、自由層F和設(shè)置于二者之間的間隔層S的自旋閥結(jié)構(gòu)。這些層的每一個具有上述第一實施例中提到的功能。但是，在本實施例中，第二被釘扎層P2包括第一層P21、第二層P22和設(shè)置于二者之間的電阻增加層RI。第一和第二層P21，P22包括磁性材料，并且包括磁化可根據(jù)外磁場改變的鐵磁膜。
另一方面，類似于第一實施例，電阻增加層RI具有絕緣部分RIa和大約通過絕緣部分RIa的一部分在厚度方向上延伸的導(dǎo)電部分RIb。導(dǎo)電部分RIb由鐵磁材料制成。在電阻增加層R(導(dǎo)電部分RIb)與第一和第二層P21，P22之間形成歐姆接觸。即，電阻增加層RI增加磁電阻效應(yīng)元件的電阻并且讀出電流在垂直于膜表面的方向上的傳導(dǎo)通過電阻增加層RI的導(dǎo)電部分RIb得到保證。
在該磁電阻效應(yīng)元件中，從下電極LE看以如下順序制備樣品。即，緩沖層BF是Ta 5nm/Ru 2nm。反鐵磁層AF是PtMn 15nm。第一被釘扎層P1為Co90Fe103nm。磁化反平行耦合層AC是Ru 1nm。第二被釘扎層P2為Co90Fe102nm(第一層21)/Co90Fe10-O 1nm(電阻增加層RI的絕緣部分RIa))和Co90Fe10(電阻增加層RI的導(dǎo)電部分RIb)/Co90Fe101nm(第一層22)。間隔層S為Cu 5nm。自由層F是Co90Fe101nm/Ni80Fe203.5nm。自旋過濾層SF為Cu 0nm到50nm。保護層PL為Ta 20nm。
圖2的“例3”表示這些樣品的MR。
如圖2所示，當(dāng)沒有自旋過濾層SF(膜厚為0nm)時，MR為3.6％。與此不同，當(dāng)設(shè)置厚為1nm的Cu層時，可以發(fā)現(xiàn)MR提高到3.8％。也認為這種MR提高的原因如第一和第二實施例所述是由于自旋過濾層SF的插入引起的界面效應(yīng)。即，它表現(xiàn)為由于與自由層/保護層界面相比，自由層/自旋過濾層界面處自旋相關(guān)界面散射提高，從而MR提高。
另外，根據(jù)本實施例，當(dāng)用作自旋過濾層SF的Cu的膜厚從1nm開始變化時，MR提高，直到其變?yōu)榧s5nm，此后接近飽和。因此，如圖2的虛線所示，可以發(fā)現(xiàn)將自旋過濾層SF的厚度設(shè)置為2nm或更大，尤其是厚度為5nm或更大，對于MR提高是非常有效的。
還表現(xiàn)出MR的這種提高的原因之一是類似于第一和第二實施例所述的結(jié)晶性的提高。即，在本實施例中，包括非晶絕緣部分RIa的電阻增加層RI插入到第二被釘扎層P2中。因此，在電阻增加層RI上形成的第二層P22、間隔層S和自由層F的結(jié)晶性易于降低。對這一點，當(dāng)包括Cu等的自旋過濾層SF被厚厚地形成在自由層F上時，該自旋過濾層SF的結(jié)晶性被提高。它表現(xiàn)為根據(jù)該提高，自由層F等的結(jié)晶性也被提高。還表現(xiàn)出利用作為自旋過濾層SF提供的退火作用或緩沖作用提高自由層F等的結(jié)晶性的結(jié)果，其磁性能提高，從而MR提高。
在本實施例中，當(dāng)除Cu外還將Au，Ag，Pt，Cr，Ti，Zn，Zr，Nb，Pt，Pd，Rh，Ru，Mo，Hf，Ta和Ni-Fe-Cr合金作為自旋過濾層SF的材料時也得到同樣效果。此外，當(dāng)使用包括這些材料的組合的層疊結(jié)構(gòu)時獲得類似的效果，例如層疊結(jié)構(gòu)包括Cu2nm/Cr 5nm的組合等。
圖12到圖14是表示本實施例的改進例子的典型截面圖。圖12到圖14中，類似于圖1到11中所描述元件的元件以相同參考序號表示，省略其具體解釋。
即，如圖12所示，第二被釘扎層P2中的電阻增加層RI也靠著間隔層S設(shè)置，或者如圖13所示，也可設(shè)置成與磁化反平行耦合層AC相鄰。否則，如圖14所示，整個第二被釘扎層P2也形成為電阻增加層RI。在這種情況下，導(dǎo)電部分RIb由磁性材料制成，并且由于磁化反平行耦合層AC的作用，其磁化可被釘扎到與第一被釘扎層P1相反的方向上。
在每個改進的例子中，如圖2所示通過增加自旋過濾層SF的膜厚得到MR提高效果。
(第四實施例)接著作為本發(fā)明的第四實施例描述的是包括具有層疊結(jié)構(gòu)的自旋過濾層SF的磁電阻效應(yīng)元件。
圖15是表示自旋過濾層SF具有層疊結(jié)構(gòu)的磁電阻效應(yīng)元件的截面結(jié)構(gòu)的典型視圖。
即，該特定的例子具有類似第一實施例的結(jié)構(gòu)。但是，自旋過濾層SF具有第一自旋過濾層SF1和第二自旋過濾層SF2的層疊結(jié)構(gòu)。第一和和第二自旋過濾層SF1，SF2由非磁性金屬制成。
在本實施例中，當(dāng)改變與自由層F1相鄰的第一自旋過濾層SF1和與保護層相鄰的第二自旋過濾層SF2的組合時得到如下結(jié)果。
表1

樣品序號1到4表示出當(dāng)自旋過濾層為單層時的結(jié)果。在樣品序號3中使用的Ru(銣)制成的自旋過濾層對提高結(jié)晶取向有效，但由于該自旋過濾層與自由層(Ni80Fe20)的界面具有負的自旋相關(guān)散射因子，使得MR不容易提高。相反，當(dāng)自旋過濾層具有樣品序號5的結(jié)構(gòu)時MR提高，該結(jié)構(gòu)中，包括具有大的正自旋相關(guān)界面散射因子的Cu的層作為自旋過濾層SF1設(shè)置在與自由層F相鄰的一側(cè)上，并且Ru用作自旋過濾層SF2。
在樣品序號4使用的由(Ni80Fe20)78Cr22形成的自旋過濾層中，自旋相關(guān)界面散射因子不是負的，但與Ni80Fe20/Cu界面處得到的自旋相關(guān)界面散射的值相比較差。因此，樣品序號4的該自旋過濾層與采用厚10nm的Cu形成的自旋過濾層的樣品序號2相比MR稍顯不足。如果采用本實施例的結(jié)構(gòu)并且將Cu用作自旋過濾層SF1并將(Ni80Fe20)78Cr22用作自旋過濾層SF2，則可兼顧自旋相關(guān)界面散射和結(jié)晶性提高，因此可得到高的MR。
這樣，當(dāng)自旋過濾層SF具有多層結(jié)構(gòu)并且分配賦于各層的功能時，可實現(xiàn)進一步的MR提高。類似地，認為甚至在自旋過濾層是3層或更多層的層疊膜時獲得進一步優(yōu)化的效果。
當(dāng)將本實施例用于第二或第三實施例的自旋閥結(jié)構(gòu)時得到類似效果。
(第五實施例)下面作為本發(fā)明第五實施例描述的是具有多個電阻增加層RI的磁電阻效應(yīng)元件。
即，在在上述第一到第四實施例中，通過在電阻增加層RI插入到間隔層S、自由層F和第二被釘扎層P2之一中的自旋閥結(jié)構(gòu)中設(shè)置厚自旋過濾層SF來提高MR。
但是，本發(fā)明不限于此。例如，本發(fā)明包括按預(yù)期組合第一到第三實施例的情況。例如，如圖16所示，在自旋閥結(jié)構(gòu)具有分別插入于間隔層S和自由層F中的電阻增加層RI的情況下，MR也可通過提供厚的自旋過濾層來提高。
另外，在自旋閥結(jié)構(gòu)具有兩個或多個插入于間隔層S、自由層F和第二被釘扎層P2之一中的電阻增加層RI的情況下，MR也可通過提供厚的自旋過濾層來提高。例如，如圖17所示，兩個電阻增加層RI可設(shè)置在間隔層S中。
(第六實施例)下面作為本發(fā)明第六實施例描述的是將被釘扎層與自由層的層疊順序反轉(zhuǎn)的磁電阻效應(yīng)元件。即，在如圖18所示自旋閥過濾層中的層疊順序反轉(zhuǎn)的情況下，也可得到第一到第五實施例所述的效果。
即，在圖18所示的磁電阻效應(yīng)元件中，首先通過緩沖層BF將自旋過濾層SF設(shè)置在下電極LE上方。在該自旋過濾層SF上依次層疊自由層F、間隔層S、被釘扎層P、反鐵磁層AF、保護層PL和上電極UE。當(dāng)在這種層疊順序的自旋閥結(jié)構(gòu)中提供厚的自旋過濾層SF時，在自旋過濾層SF上形成的自由層F等的結(jié)晶性被提高，磁性能被提高，從而也可得到高的MR。
而且，在本實施例中，可通過至少在間隔層S、自由層F、和第二被釘扎層P2之一中設(shè)置電阻增加層RI得到電阻增加效果。
(第七實施例)下面作為本發(fā)明第七實施例描述的是CPP型磁電阻效應(yīng)元件的一個特例。
圖19和圖20是典型表示根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁電阻效應(yīng)元件的主要部分的配置的示意圖。即圖19和圖20表示磁電阻效應(yīng)元件組裝到磁頭中的狀態(tài)。圖19是沿著大約平行于面對未示出的磁記錄介質(zhì)的面向介質(zhì)表面P的方向切割磁電阻效應(yīng)元件的截面圖。圖20是沿著垂直于面向介質(zhì)表面P的方向切割磁電阻效應(yīng)元件的截面圖。
圖19和20所示的磁電阻效應(yīng)元件是具有硬相接結(jié)構(gòu)的元件。下電極LE和上電極UE分別設(shè)置在磁電阻效應(yīng)膜14的上面和下面。另外，圖19中，偏置磁場作用膜16和絕緣膜18層疊并設(shè)置在磁電阻效應(yīng)膜14的兩側(cè)表面上。此外，如圖20所示，保護膜30設(shè)置在磁電阻效應(yīng)膜14的面向介質(zhì)表面上。
如參考圖1到18所提及的那樣，磁電阻效應(yīng)膜14具有根據(jù)本發(fā)明的該實施例的結(jié)構(gòu)。即，磁電阻效應(yīng)膜14具有通過提供電阻增加層RI和厚自旋過濾層SF獲得高絕對值電阻和大磁電阻效應(yīng)的層疊結(jié)構(gòu)。
通過設(shè)置在磁電阻效應(yīng)膜14上面和下面的電極LE，UE，讀出電流相對于磁電阻效應(yīng)膜14在大約垂直于膜表面的方向上流動，如箭頭A所示。此外，偏置磁場通過左右設(shè)置的一對偏置磁場作用膜16施加在磁電阻效應(yīng)膜14上。當(dāng)使用偏置磁場控制磁電阻效應(yīng)膜14的自由層的磁各向異性來形成單磁疇時，磁疇結(jié)構(gòu)被穩(wěn)定并且磁疇壁移動引起的巴克豪森噪聲被抑制。
根據(jù)本實施例，通過在磁電阻效應(yīng)膜14中提供電阻增加層和厚自旋過濾層SF，使得電阻絕對值高，并且得到大磁電阻效應(yīng)。結(jié)果，顯著提高磁電阻效應(yīng)元件的靈敏度。例如，當(dāng)磁電阻效應(yīng)元件應(yīng)用于磁頭時，可執(zhí)行高靈敏度的磁再現(xiàn)。
(第八實施例)接著作為本發(fā)明第八實施例描述的是安裝根據(jù)本發(fā)明的前面實施例的磁電阻效應(yīng)元件的磁再現(xiàn)設(shè)備。即，例如參考圖1到20描述的前面實施例的磁電阻效應(yīng)元件或磁頭組裝到記錄再現(xiàn)集成型的磁頭組件中，并且可安裝到磁記錄再現(xiàn)設(shè)備上。
圖21是表示磁記錄再現(xiàn)設(shè)備的主配置的主要部分的透視圖。即，根據(jù)本實施例的磁記錄再現(xiàn)設(shè)備150是使用旋轉(zhuǎn)致動器的裝置。圖21中，用于記錄的介質(zhì)盤200安裝到主軸152上，并且通過未示出的馬達，響應(yīng)于來自未示出的驅(qū)動單元控制部分的控制信號在箭頭A所示方向上旋轉(zhuǎn)。本實施例的磁記錄再現(xiàn)設(shè)備150也具有多個介質(zhì)盤200。
用于記錄和再現(xiàn)在介質(zhì)盤200中存儲的信息的磁頭滑塊153附接到薄膜形狀的懸架154的頂端。這里，例如根據(jù)上述實施例之一的磁電阻效應(yīng)元件或磁頭安裝在靠近磁頭滑塊153的頂端的部分。
當(dāng)介質(zhì)盤200旋轉(zhuǎn)時，磁頭滑塊153的面向介質(zhì)表面(ABS)與介質(zhì)盤200的表面維持預(yù)定懸浮量。此外也可使用滑塊與介質(zhì)盤200接觸的所謂“接觸運轉(zhuǎn)型”。
懸架154連接到具有用于支持未示出的驅(qū)動線圈等的繞線架部分的致動器臂155的一端。音圈電機156提供在致動器臂155的另一端，該音圈電機156是線性電機的一種。音圈電機156包括未示出的驅(qū)動線圈以及磁路，其中驅(qū)動線圈圍繞致動器臂155的繞線架部分，磁路包括永磁體和設(shè)置成彼此面對的且其間夾持線圈的面向磁軛。
致動器臂155由未示出的設(shè)置在主軸157的上下部分的球軸承支撐，并且可由音圈電機156自由旋轉(zhuǎn)和滑動。
圖22是從盤側(cè)觀察致動器臂155前面的磁頭組件的放大透視圖。即，例如，磁頭組件160具有致動器臂155等，該致動器臂155具有支持驅(qū)動線圈的繞線架，并且懸架154連接到致動器臂155的一端。
具有根據(jù)參考圖1到20所述的前面實施例之一的磁電阻效應(yīng)元件或磁頭的磁頭滑塊153附接于懸架154的頂端。懸架154具有引線164，用于寫入和讀出信號。該引線164和組裝到磁頭滑塊153的磁頭的每個電極彼此電連接。圖22中，參考序號165指出的是磁頭組件160的電極墊片。
根據(jù)本實施例，由于提供根據(jù)參考圖1到20所述的前面實施例之一的磁電阻效應(yīng)元件或磁頭，磁記錄在介質(zhì)盤200上的信息能夠以比相關(guān)技術(shù)中更高的記錄密度可靠地讀出。
(第九實施例)接著作為本發(fā)明第九實施例描述的是具有根據(jù)本發(fā)明的前面實施例之一的磁電阻效應(yīng)元件的磁存儲器。即，例如使用根據(jù)參考圖1到20描述的前面實施例之一的磁電阻效應(yīng)元件實現(xiàn)諸如磁隨機存取存儲器的磁存儲器，該磁存儲器具有以矩陣形狀排列的存儲器單元。
圖23是表示本實施例的磁存儲器的矩陣配置的示意圖。
即，圖23表示出該實施例的電路配置，其中存儲器單元以陣列形狀排列。設(shè)置列解碼器350和行解碼器351，以在陣列中選擇一個位。通過位線334和字線332接通開關(guān)晶體管330并且惟一地選擇該開關(guān)晶體管330?？赏ㄟ^讀出放大器352的檢測讀出記錄在形成磁電阻效應(yīng)元件321的磁記錄層中的位信息。
由借助于向特定寫入字線323和位線322中流入寫入電流所產(chǎn)生的磁場執(zhí)行位信息的寫入。
圖24是表示本實施例的磁存儲器的矩陣配置的另一個特例的示意圖。即，在該特例的情況下，按矩陣形狀布線的位線322和字線334分別由解碼器360，361選擇，并且選擇陣列中的特定存儲器單元。每個存儲器單元具有串聯(lián)連接磁電阻效應(yīng)元件321和二極管D的結(jié)構(gòu)。這里，二極管D具有防止讀出電流被迂回到選擇的磁電阻效應(yīng)元件321以外的存儲器單元中的作用。
由借助于向每個特定位線322和寫入字線323中流入寫入電流所產(chǎn)生的磁場執(zhí)行寫入操作。
圖25是表示根據(jù)本發(fā)明的該實施例的磁存儲器主要部分的截面結(jié)構(gòu)的示意圖。圖26是沿著圖25的A-A’線截取的截面圖。
即，圖25和圖26所示的結(jié)構(gòu)對應(yīng)于在圖23所示的磁存儲器中包括的一個存儲器單元。即，該存儲器單元是作為隨機存取存儲器操作的磁存儲器的一個位部分的存儲器單元。該存儲器單元具有存儲器元件部分311和用于地址選擇的晶體管部分312。
存儲器元件部分311具有磁電阻效應(yīng)元件321和連接于磁電阻效應(yīng)元件321的一對布線322，324。磁電阻效應(yīng)元件321是根據(jù)參考圖1到20所述的前面實施例之一的磁電阻效應(yīng)元件，并且具有層疊結(jié)構(gòu)，該層疊結(jié)構(gòu)中，通過提供電阻增加層RI和厚自旋過濾層SF，使得電阻絕對值高并且獲得大的磁電阻效應(yīng)。
當(dāng)讀出位信息時，讀出電流在磁電阻效應(yīng)元件321中流動并且其電阻變化被檢測到。被釘扎層用作磁化被釘扎層，自由層用作磁記錄層。
另一方面，經(jīng)通路326和埋置布線328連接的晶體管330提供在晶體管部分312中以供選擇。該晶體管330根據(jù)施加于柵332的電壓而開關(guān)和操作，并且控制磁電阻效應(yīng)元件321和布線334的電流路徑的接通/關(guān)閉。
此外，寫入布線323在大約垂直于布線332的方向上設(shè)置在磁電阻效應(yīng)元件321下面。例如，這些寫入布線322，323可由鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鉭(Ta)或包括這些元素之一的合金構(gòu)成。
當(dāng)位信息寫入具有這種配置的存儲器單元中的磁電阻效應(yīng)元件321時，寫入脈沖電流在寫入布線322，323中流動，并且通過施加由這些電流感應(yīng)的合成磁場，磁電阻效應(yīng)元件的記錄層的磁化適當(dāng)反轉(zhuǎn)。
此外，當(dāng)讀出位信息時，讀出電流流經(jīng)布線322、包括磁記錄層的磁電阻效應(yīng)元件321和下電極324，并且測量磁電阻效應(yīng)元件321的電阻值或電阻值的變化。
在該特例的磁存儲器中，通過使用根據(jù)參考圖1到20所述的前面實施例之一的磁電阻效應(yīng)元件得到大的負磁電阻效應(yīng)。因此，甚至在單元尺寸稍有減小時，通過可靠地控制記錄層的磁疇可確?？煽康膶懭氩僮?，并且能夠可靠地執(zhí)行讀出操作。
在上面描述中，參考特例描述了本發(fā)明的實施例。但是，本發(fā)明不限定于這些特例。例如，可通過從本領(lǐng)域技術(shù)人員公知范圍中適當(dāng)選擇磁電阻效應(yīng)膜的特定結(jié)構(gòu)、電極的形狀和材料、偏置施加膜、絕緣膜獲得相似結(jié)果，從而實施本發(fā)明。
例如，當(dāng)磁電阻效應(yīng)元件配置于用于再現(xiàn)的磁頭時，通過在元件上面和下面給予磁屏蔽可預(yù)先規(guī)定磁頭的檢測分辨率。
此外，與縱向磁記錄系統(tǒng)一樣，可通過類似地將本發(fā)明用于垂直磁記錄系統(tǒng)的磁頭或磁再現(xiàn)設(shè)備來得到類似的效果。
另外，根據(jù)本發(fā)明的實施例的磁再現(xiàn)設(shè)備也可設(shè)置為具有特定記錄介質(zhì)的所謂靜態(tài)固定型。另一方面，也可使用能夠替代記錄介質(zhì)的所謂“可拆卸”系統(tǒng)。
此外，在本發(fā)明的實施例所述的磁頭和磁存儲器再生器的基礎(chǔ)上本領(lǐng)域技術(shù)人員可進行設(shè)計變更的所有磁電阻效應(yīng)元件、磁頭、磁存儲器再生器和磁存儲器也屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁電阻效應(yīng)元件，包括磁化被釘扎層，包括其中磁化方向基本上被釘扎在一個方向上的磁性材料膜；磁化自由層，包括其中磁化方向響應(yīng)于外部磁場而改變的磁性材料膜；非磁性金屬層，設(shè)置在磁化被釘扎層和磁化自由層之間；電阻增加層，包括絕緣部分和電連接電阻增加層的兩個膜表面的導(dǎo)電部分，并且設(shè)置在磁化被釘扎層、磁化自由層和非磁性金屬層至少之一中；自旋過濾層，設(shè)置成與磁化自由層相鄰并且具有5nm到20nm范圍的厚度，磁化自由層設(shè)置在自旋過濾層和非磁性金屬層之間；一對電極，該對電極之間設(shè)置磁化被釘扎層、磁化自由層、非磁性金屬層、電阻增加層和自旋過濾層，電流在該對電極之間在基本垂直于磁化被釘扎層、磁化自由層、非磁性金屬層、電阻增加層和自旋過濾層的膜表面的方向上流動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻效應(yīng)元件，其中磁化被釘扎層的磁性材料膜包括鐵磁材料；并且磁化自由層的磁性材料膜包括鐵磁材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻效應(yīng)元件，其中在絕緣增加層和與其相鄰的層之間形成歐姆接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻效應(yīng)元件，其中電阻增加層的絕緣部分包括從Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Hf、Ta和W所構(gòu)成的組中選擇的一種元素的氧化物、氮化物和氟化物之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻效應(yīng)元件，其中電阻增加層設(shè)置在磁化被釘扎層和磁化自由層至少之一中；并且導(dǎo)電部分包括鐵磁材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻效應(yīng)元件，其中電阻增加層至少設(shè)置在非磁性金屬層中；并且導(dǎo)電部分包括非磁性金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻效應(yīng)元件，其中自旋過濾層具有10nm到20nm范圍的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻效應(yīng)元件，其中自旋過濾層包括(Ni1-xFex)1-yCry合金，這里，15＜x＜25且20＜y＜45。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的磁電阻效應(yīng)元件，還包括保護層，與自旋過濾層相鄰并且包括從Ta，Ti和Ru構(gòu)成的組中選出的至少一種元素。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻效應(yīng)元件，還包括與自旋過濾層相鄰的保護層，其中自旋過濾層設(shè)置在保護層與磁化自由層之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的磁電阻效應(yīng)元件，其中保護層由Ta構(gòu)成；并且自旋過濾層包括從Cu、Au、Ag、Pt、Cr、Ti、Zn、Zr、Nb、Pt、Pd、Rh、Ru、Mo、Hf和(Ni1-xFex)1-yCry合金所構(gòu)成的組選出的至少一種，這里，15＜x＜25且20＜y＜45。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的磁電阻效應(yīng)元件，其中保護層由Ti構(gòu)成；并且自旋過濾層包括從Cu、Au、Ag、Pt、Cr、Ta、Zn、Zr、Nb、Pt、Pd、Rh、Ru、Mo、Hf和(Ni1-xFex)1-yCry合金所構(gòu)成的組選出的至少一種，這里，15＜x＜25且20＜y＜45。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的磁電阻效應(yīng)元件，其中保護層由Ru構(gòu)成；并且自旋過濾層包括從Cu、Au、Ag、Pt、Cr、Ti、Ta、Zn、Zr、Nb、Pt、Pd、Rh、Mo、Hf和(Ni1-xFex)1-yCry合金所構(gòu)成的組選出的至少一種，這里，15＜x＜25且20＜y＜45。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的磁電阻效應(yīng)元件，其中保護層包括從Ta、Ti和Ru的組中選擇的至少一種；并且從與磁化自由層接觸側(cè)看去，自旋過濾層依次包括Cu和(Ni1-xFex)1-yCry合金的層疊結(jié)構(gòu)，其中15＜x＜25且20＜y＜45。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的磁電阻效應(yīng)元件，其中保護層包括從Ta和Ti的組中選擇的至少一種；并且自旋過濾層包括Cu和Ru的層疊結(jié)構(gòu)。
16.一種磁頭，包括磁電阻效應(yīng)元件，該磁電阻效應(yīng)元件包括磁化被釘扎層，包括其中磁化方向基本上被釘扎在一個方向上的磁性材料膜；磁化自由層，包括其中磁化方向響應(yīng)于外部磁場而改變的磁性材料膜；非磁性金屬層，設(shè)置在磁化被釘扎層和磁化自由層之間；電阻增加層，包括絕緣部分和電連接電阻增加層的兩個膜表面的導(dǎo)電部分，并且設(shè)置在磁化被釘扎層、磁化自由層和非磁性金屬層至少之一中；自旋過濾層，設(shè)置成與磁化自由層相鄰并且具有5nm到20nm范圍的厚度，磁化自由層設(shè)置在自旋過濾層和非磁性金屬層之間；以及一對電極，該對電極之間設(shè)置磁化被釘扎層、磁化自由層、非磁性金屬層、電阻增加層和自旋過濾層，電流在該對電極之間在基本垂直于磁化被釘扎層、磁化自由層、非磁性金屬層、電阻增加層和自旋過濾層的膜表面的方向上流動。
17.一種磁再現(xiàn)設(shè)備，用于讀出在磁記錄介質(zhì)上磁記錄的信息，該設(shè)備包括包括磁電阻效應(yīng)元件的磁頭，該磁電阻效應(yīng)元件包括磁化被釘扎層，包括其中磁化方向基本上被釘扎在一個方向上的磁性材料膜；磁化自由層，包括其中磁化方向響應(yīng)于外部磁場而改變的磁性材料膜；非磁性金屬層，設(shè)置在磁化被釘扎層和磁化自由層之間；電阻增加層，包括絕緣部分和電連接電阻增加層的兩個膜表面的導(dǎo)電部分，并且設(shè)置在磁化被釘扎層、磁化自由層和非磁性金屬層至少之一中；自旋過濾層，設(shè)置成與磁化自由層相鄰并且具有5nm到20nm范圍的厚度，磁化自由層設(shè)置在自旋過濾層和非磁性金屬層之間；以及一對電極，該對電極之間設(shè)置磁化被釘扎層、磁化自由層、非磁性層、電阻增加層和自旋過濾層，電流在該對電極之間在基本垂直于磁化被釘扎層、磁化自由層、非磁性金屬層、電阻增加層和自旋過濾層的膜表面的方向上流動。
全文摘要
一種磁電阻效應(yīng)元件，包括磁化被釘扎層、磁化自由層、設(shè)置在磁化被釘扎層和磁化自由層之間的非磁性金屬層、電阻增加層、自旋過濾層和一對電極。電阻增加層包括絕緣部分并且被設(shè)置在磁化被釘扎層、磁化自由層和非磁性金屬層至少之一中。自旋過濾層設(shè)置成與磁化自由層相鄰并且具有5nm到20nm范圍的厚度。磁化自由層設(shè)置在自旋過濾層和非磁性金屬層之間。磁化被釘扎層、磁化自由層、非磁性金屬層、電阻增加層和自旋過濾層設(shè)置在電極之間。
文檔編號G11B5/33GK1604355SQ20041008316
公開日2005年4月6日 申請日期2004年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月2日
發(fā)明者湯淺裕美, 福澤英明, 橋本進, 巖崎仁志 申請人:株式會社東芝