專利名稱：磁阻效應(yīng)元件、磁頭以及磁盤設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻效應(yīng)元件、磁頭、以及沿垂直于磁阻效應(yīng)膜的膜表面的方向傳輸感應(yīng)電流以檢測(cè)磁性的磁盤設(shè)備。
背景技術(shù)：
依靠巨磁阻效應(yīng)(GMR)，磁性設(shè)備尤其是磁頭的性能得以迅速提高。特別是自旋閥(SV)膜在磁頭、MRAM(磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器)等方面的應(yīng)用為磁性設(shè)備領(lǐng)域帶來了巨大的技術(shù)進(jìn)步。
“自旋閥膜”是一種具有將非磁性分隔層夾在兩層鐵磁層之間結(jié)構(gòu)的分層膜，因而也被稱為自旋相依散射單元。這兩層鐵磁層中的一層(稱為“固定層”或“磁化固定層”)的磁化被反鐵磁層或之類的物質(zhì)固定，而另一層(稱為“自由層”或“磁化自由層”)的磁化可以根據(jù)外部磁場(chǎng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。在自旋閥膜中，通過改變固定層和自由層的磁化方向的相對(duì)角度就可以獲得巨磁阻變化。
作為使用自旋閥膜的磁阻效應(yīng)元件，有CIP(電流方向在平面內(nèi))-GMR元件、CPP(電流垂直平面)-GMR元件，以及TMR(隧道磁阻)元件。在CIP-GMR元件中，感應(yīng)電流沿平行于自旋閥膜的表面?zhèn)鲗?dǎo)，而在CPP-GMR和TMR元件中，感應(yīng)電流沿基本垂直于自旋閥膜表面的方向傳導(dǎo)。垂直傳導(dǎo)感應(yīng)電流的方法作為未來高記錄密度頭的技術(shù)備受關(guān)注。
這里，在由金屬層構(gòu)成自旋閥膜的金屬CPP-GMR元件中，由磁化引起的阻抗的變化量很小，因此難以檢測(cè)出微弱的磁場(chǎng)(例如，在具有高記錄密度的磁盤中的磁場(chǎng))。
作為分隔層，采用含有沿厚度方向的電流通路的氧化層[NOL(nano-oxide layer)]的CPP元件已被提出(參考JP-A2002-208744(KOKAI))。在這種元件中，利用電流限制通路(CCP，current-confined-path)效應(yīng)可以提高元件阻抗和MR率。在下文中，這種元件被稱為CCP-CPP元件。

發(fā)明內(nèi)容
這里，CCP-CPP元件的靈敏度需要提高。CCP-CPP元件靈敏度的一個(gè)實(shí)例是MR率。此外，在CCP-CPP元件中，電流受限制部分的局部電流密度變成非常大的值，因此實(shí)現(xiàn)即使在巨大電流密度下仍然能夠保證良好可靠性的膜結(jié)構(gòu)是非常重要的。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種磁阻效應(yīng)元件、磁頭，以及能夠提高M(jìn)R率和可靠性的磁盤設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的磁阻效應(yīng)元件包括磁化固定層、分隔層和磁化自由層，磁化固定層含有磁場(chǎng)方向基本固定在一個(gè)方向上的第一晶粒，分隔層配置在磁化固定層上并具有絕緣層和貫通絕緣層的金屬導(dǎo)體，磁化自由層含有第二晶粒，該磁化自由層與金屬導(dǎo)體相對(duì)地配置在分隔層上并且具有隨外部磁場(chǎng)而改變的磁場(chǎng)方向。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件的立體圖。
圖2是表示放大圖1的分隔層尤其是電流通路附近的放大視圖。
圖3是表示本發(fā)明的第一比較實(shí)例的剖面視圖。
圖4是表示本發(fā)明的第二比較實(shí)例的剖面視圖。
圖5是表示分隔層的實(shí)例的剖面的剖面視圖。
圖6是表示分隔層的實(shí)例的上表面的俯視圖。
圖7是表示分隔層的實(shí)例的下表面的仰視圖。
圖8是表示分隔層的另一實(shí)例的剖面的剖面視圖。
圖9是表示分隔層的另一實(shí)例的上表面的俯視圖。
圖10是表示分隔層的另一實(shí)例的下表面的仰視圖。
圖11是表示用三維原子探測(cè)器測(cè)量得到的在自由層中Ni原子的濃度分布實(shí)例的視圖。
圖12是強(qiáng)調(diào)圖11中的Ni原子的濃度分布的視圖。
圖13是表示在自由層中Ni原子的濃度梯度的實(shí)例的視圖。
圖14是表示磁阻效應(yīng)元件制造步驟的實(shí)例的流程圖。
圖15是表示用于制造磁阻效應(yīng)元件的沉積設(shè)備的概況的示意圖。
圖16是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件被結(jié)合在磁頭中的狀態(tài)的視圖。
圖17是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件被結(jié)合在磁頭中的狀態(tài)的視圖。
圖18是說明磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)的主要部分立體視圖。
圖19是表示從磁盤側(cè)觀看磁頭懸架組件從致動(dòng)臂到其末端的放大立體圖。
圖20是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器的矩陣結(jié)構(gòu)的實(shí)例的視圖。
圖21是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器的另一矩陣結(jié)構(gòu)的實(shí)例的視圖。
圖22是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器主要部分的剖面視圖。
圖23是沿圖22中的A-A’線得到的剖面視圖。
具體實(shí)施例方式
下文將參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。注意在下面的實(shí)施例中合金的成分用原子％表示。
(第一實(shí)施例)圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件(CCP-CPP元件)的立體圖。注意圖1和下面的附圖都是示意圖，其中膜厚度之間的比率并不總是與實(shí)際的膜厚度之間的比率相對(duì)應(yīng)。
如本圖所示，根據(jù)本實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件具有磁阻效應(yīng)膜10，以及將磁阻效應(yīng)膜10從上下夾在中間的下電極11和上電極20，該磁阻效應(yīng)元件形成于未在圖中示出的基板上。
磁阻效應(yīng)膜10依次由基層12、固定層13、被固定層14、下層金屬層15、分隔層(CCP-NOL)16(絕緣層161，電流通路162)、上層金屬層17、自由層18以及覆蓋層19構(gòu)成。其中，被固定層14、下層金屬層15、分隔層16、上層金屬層17和自由層18對(duì)應(yīng)通過將非磁性分隔層夾在兩層鐵磁層之間形成的自旋閥膜。注意為了外觀上的清晰，分隔層16以從其上下兩層分離的狀態(tài)表示(下層金屬層15和上層金屬層17)。
下面將說明磁阻效應(yīng)元件的各組成部分。
下電極11是用于沿垂直于自旋閥膜的方向傳導(dǎo)電流的電極。通過在下電極11和上電極20之間施加電壓，電流沿垂直于膜表面的方向在自旋閥膜內(nèi)流動(dòng)。依靠這個(gè)電流，可以通過檢測(cè)由磁阻效應(yīng)引起的阻抗的變化來探測(cè)磁性。作為下電極11，用具有相對(duì)小的電阻抗的金屬層在磁阻效應(yīng)元件中傳導(dǎo)電流。
基層12可以劃分為例如緩沖層12a和種子層(seed layer)12b。緩沖層12a是用于緩和下電極11表面粗糙程度的層。種子層12b是用于控制晶向和沉積在其上的自旋閥膜的晶粒直徑的層。
對(duì)于緩沖層12a可以使用Ta、Ti、V、W、Zr、Hf、Cr或其合金。緩沖層12a的膜厚度優(yōu)選在大約1nm到10nm，更好是在2nm到5nm。如果緩沖層12a太薄，就喪失了它的緩沖效果。另一方面，如果緩沖層12a太厚，就增加了對(duì)MR率毫無貢獻(xiàn)的串聯(lián)阻抗。注意如果沉積在緩沖層12a上的種子層12b具有緩沖效果，則緩沖層12a就沒有必要形成了?？梢杂肨a[3nm]作為前述實(shí)例中的優(yōu)選實(shí)例。
種子層12b可以使用任何能夠控制沉積在其上的層的晶向的材料。作為種子層12b，優(yōu)選使用具有fcc結(jié)構(gòu)(面心立方結(jié)構(gòu))、hcp結(jié)構(gòu)(密排六方結(jié)構(gòu))或bcc結(jié)構(gòu)(體心立方結(jié)構(gòu))的金屬層等。
例如，用具有hcp結(jié)構(gòu)的Ru或具有fcc結(jié)構(gòu)的NiFe作為種子層12b，其上的自旋閥膜的晶向可以是fcc(111)晶向。此外，當(dāng)固定層13是IrMn時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)良好的fcc(111)晶向，而當(dāng)固定層13是PtMn時(shí)，可以獲得規(guī)則的fct(111)結(jié)構(gòu)(面心四方結(jié)構(gòu))。另外，當(dāng)fcc金屬被用作磁性層時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)良好的fcc(111)晶向，而當(dāng)bcc金屬被用作磁性層時(shí)，則產(chǎn)生良好的bcc(110)晶向。
為了充分發(fā)揮種子層12b在改善晶向方面的作用，種子層12b的膜厚度優(yōu)選在1nm到5nm，最好是1.5nm到3nm之間?？梢杂肦u[2n]作為前述實(shí)例中的優(yōu)選實(shí)例。
自旋閥膜和固定層13的晶向特性可以用X射線衍射進(jìn)行測(cè)量。通過在自旋閥膜的fcc(111)峰值和固定層13(PtMn)的fct(111)峰值或bcc(110)峰值將搖擺曲線的半值寬度設(shè)置為3.5度到6度，則可以獲得良好的晶向特性。注意這個(gè)方向的散射角也可以用截面TEM從散射斑確定。
作為種子層12b，也可以用NiFe基合金(例如，NixFe100-x(x＝90％到50％，優(yōu)選是75％到85％)或在NiFe中加入第三種物質(zhì)Z將其變?yōu)榉谴判缘?NixFe100-x)100-yZy(Z＝Cr，V，Nb，Hf，Zr，Mo)代替Ru。用NiFe基種子層12b，可以相對(duì)容易地獲得良好的晶向特性，并且用上述同樣的方法測(cè)量得到的搖擺曲線的半值寬度可以是3度到5度。
種子層12b不僅具有改善晶向的功能，還具有控制自旋閥膜的晶粒直徑的作用。特別地，自旋閥膜的晶粒直徑可以控制在5nm到20nm之間，即使當(dāng)磁阻效應(yīng)元件的尺寸變小時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R率而不會(huì)造成特性的參差不齊。
自旋閥膜的晶粒直徑可以通過配置在種子層12b和分隔層16之間的層的晶粒的直徑來確定(例如，可以通過截面TEM等來確定)。例如，當(dāng)被固定層14是位于低于分隔層16的底型自旋閥膜時(shí)，可以通過形成于種子層12b上的固定層13(反鐵磁層)或被固定層14(磁化固定層)的晶粒直徑來確定。
對(duì)應(yīng)高記錄密度的再現(xiàn)頭(reproducing head)，元件尺寸是確定的100nm或更小的微小尺寸。晶粒直徑與元件尺寸的比率大的話會(huì)造成元件特性的參差不齊，因此自旋閥膜的晶粒直徑大于20nm是不適宜的。
由于元件單位面積上的晶粒的數(shù)目較少會(huì)造成特性的參差不齊，因此增加晶粒直徑是不適宜的。特別對(duì)于形成電流通路的CCP-CPP元件，增加晶粒直徑就更不適宜了。
另一方面，晶粒直徑越大，由于晶粒邊界使擴(kuò)散電子散射和非彈性散射就越小。從而，為了實(shí)現(xiàn)大的MR率，優(yōu)選是晶粒直徑比較大，并且有必要達(dá)到至少5nm或更大。
如上所述，MR率的觀點(diǎn)和降低各元件中的參差不齊的觀點(diǎn)對(duì)晶粒直徑的要求彼此是矛盾的并且存在平衡的關(guān)系?？紤]到這種平衡關(guān)系晶粒直徑的優(yōu)選范圍是5nm到20nm。關(guān)于晶粒直徑的具體設(shè)計(jì)方法將在下文詳細(xì)說明。
為了獲得上述5nm到20nm的晶粒直徑，作為種子層12b，優(yōu)選Ru 2nm或在(NixFe100-x)100-yZy(Z＝Cr，V，Nb，Hf，Zr，Mo)層的情況下第三元素Z的成分y大約為0％到30％(包括y是0％的情況)。
如上所述，種子層12b的膜厚度優(yōu)選約為1nm到5nm，最好為1.5nm到3nm。如果種子層12b太薄，則會(huì)喪失諸如控制晶向的效果。另一方面，如果種子層12b太厚，則會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)阻抗的增加，并且可能會(huì)進(jìn)而造成自旋閥膜界面的不規(guī)律。
注意除本文介紹的材料以外的任何材料都可以被用于種子層12b只要它可以用微小的晶粒直徑實(shí)現(xiàn)良好的種子層12b。
固定層13具有通過給予單向各向異性固定沉積其上將要成為被固定層14的鐵磁層磁化的功能。作為固定層13的材料，可以使用諸如PtMn、PdPtMn、IrMn、RuRhMn的反鐵磁性材料。其中，IrMn作為對(duì)應(yīng)高記錄密度的磁頭的材料是很有利的。IrMn能比PtMn用更薄的膜厚度施加單向各向異性，因此適于減小高記錄密度所必需的狹縫。
為了給予足夠強(qiáng)的單向各向異性，要恰當(dāng)設(shè)置固定層13的膜厚度。當(dāng)固定層13的材料是PtMn或PdPtMn時(shí)，其膜厚度優(yōu)選大致為8nm到20nm，最好為10nm到15nm。當(dāng)固定層13的材料為IrMn時(shí)，則可以用甚至比PtMn等更小的膜厚度給予單向各向異性，這個(gè)厚度優(yōu)選為2nm到18nm，最好為4nm到15nm?？梢杂肐rMn[7nm]作為前述實(shí)例中的優(yōu)選實(shí)例。
作為固定層13，也可以用硬磁層來代替反鐵磁層。作為硬磁層，可以用例如CoPt(Co＝50％到85％)、(CoxPt100-x)100-yCry(x＝50％到85％，y＝0％到40％)，F(xiàn)ePt(Pt＝40％到60％)。硬磁層(尤其是CoPt)具有相對(duì)較小的電阻率，因此可以抑制串聯(lián)阻抗和面積阻抗RA的增大。
作為被固定層14，優(yōu)選實(shí)例是由下層被固定層141(例如Co90Fe103.5nm)、磁耦合層142(例如，Ru)以及上層被固定層143(例如，(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm])構(gòu)成的合成被固定層。固定層13(例如，IrMn)和其上的下層被固定層141通過交換磁耦合而耦合在一起從而具有單向各向異性。位于磁耦合層142上下的下層被固定層141和上層被固定層143很強(qiáng)地磁耦合在一起使得它們的磁化方向相互反向平行。
作為下層被固定層141的材料，例如，可以使用CoxFe100-x合金(x＝0％到100％)，NixFe100-x合金(x＝0％到100％)或者是在它們中的一種中加入非磁性物質(zhì)。此外，作為下層被固定層141的材料，可以使用單元素Co、Fe、Ni或它們的合金。
下層被固定層141的磁性膜厚度(飽和磁化Bs×膜厚度t(Bs和t的乘積))最好基本等于上層被固定層143的磁性膜厚度。特別地，上層被固定層143的磁性膜厚度和下層被固定層141的磁性膜厚度最好彼此對(duì)應(yīng)。例如，當(dāng)上層被固定層143是(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]時(shí)，作為膜的FeCo的飽和磁化大約為2.2T，從而磁性膜厚度為2.2T×3nm＝6.6Tnm。由于Co90Fe10的飽和磁化大約為1.8T，因此提供與上述相等的磁性膜厚度的下層被固定層141的膜厚度為6.6Tnm/1.8T＝3.66nm。因此，更希望用具有大約3.6nm膜厚度的Co90Fe10。
用于下層被固定層141的磁性層的膜厚度優(yōu)選大約為2nm到5nm。這是基于對(duì)固定層13(如，IrMn)的單向各向異性磁場(chǎng)強(qiáng)度和通過磁耦合層142(例如，Ru)耦合在一起的下層被固定層141和上層被固定層143的反鐵磁耦合磁場(chǎng)強(qiáng)度的考慮。如果下層被固定層141太薄，則影響MR率的上層被固定層143就必須做得薄，這樣MR率就會(huì)變小。另一方面，如果下層被固定層141太厚，就會(huì)變得難以獲得運(yùn)行器件所必需的足夠的單向各向異性磁場(chǎng)。優(yōu)選實(shí)例是膜厚度為3.6nm的Co90Fe10。
磁耦合層142(例如，Ru)具有通過在上下磁性層(下層被固定層141和上層被固定層143)之間產(chǎn)生反鐵磁耦合以形成合成的被固定層的功能。作為磁耦合層142的Ru層的膜厚度優(yōu)選為0.8nm到1nm。注意除了Ru以外任何其它材料都可以使用只要它能夠在上下磁性層之間產(chǎn)生足夠的反鐵磁耦合。還可以使用與RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)耦合的第一峰值對(duì)應(yīng)的0.3nm到0.6nm的膜厚度代替與RKKY耦合的第二峰值對(duì)應(yīng)的0.8nm到1nm的膜厚度。這里，0.9nm的Ru是作為一個(gè)實(shí)例來介紹的，用它可以獲得更可靠耦合的穩(wěn)定特性。
如上所述，作為上層被固定層143的實(shí)例，可以使用諸如(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]的磁性層。上層被固定層143形成自旋相依散射單元的一部分。上層被固定層143是直接對(duì)MR效應(yīng)作貢獻(xiàn)的磁性層，其構(gòu)成材料和膜厚度都對(duì)獲取大MR率很重要。尤其是，位于與分隔層16的界面上的磁性材料特別是在自旋相依界面的散射的貢獻(xiàn)方面很重要。
接下來將說明使用具有bcc結(jié)構(gòu)的Fe50Co50在本文中作為上層被固定層143的效果。當(dāng)使用具有bcc結(jié)構(gòu)的磁性材料作為上層被固定層143，則會(huì)提供較大的自旋相依界面的散射效果，從而可以實(shí)現(xiàn)較大的MR率。具有bcc結(jié)構(gòu)的FeCo基合金的實(shí)例包括FexCo100-x(x＝30％到100％)和通過向FexCo100-x中加入額外元素制得的物質(zhì)。其中，易于使用的材料的實(shí)例是滿足所有特性的Fe40Co60至Fe80Co20。
當(dāng)上層被固定層143由具有bcc結(jié)構(gòu)的易于實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R率的磁性層形成時(shí)，這個(gè)磁性層的總的膜厚度優(yōu)選為1.5nm或更大。這是為了保持bcc結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由于用于自旋閥膜的金屬材料通常是fcc結(jié)構(gòu)或fct結(jié)構(gòu)，所以只有上層被固定層可以具有bcc結(jié)構(gòu)。因此，如果上層被固定層143的膜厚度太薄，則難以保持bcc結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并且難以獲得高M(jìn)R率。
這里，作為上層被固定層143，使用含有超薄Cu層的Fe50Co50?，F(xiàn)在，上層被固定層143由總膜厚度為3nm的FeCo和在每1nm的FeCo上層疊的0.25nm的Cu構(gòu)成，并且它的總膜厚度為3.5nm。
上層被固定層143的大的膜厚度使得其易于獲得大的MR率，但是對(duì)于獲得大的被固定磁場(chǎng)來說優(yōu)選小的膜厚度，因此存在平衡關(guān)系。例如，當(dāng)使用具有bcc結(jié)構(gòu)的FeCo合金層時(shí)，則有必要穩(wěn)定bcc結(jié)構(gòu)，因此優(yōu)選1.5nm或更大的膜厚度。此外，同樣當(dāng)使用具有fcc結(jié)構(gòu)的CoFe合金層時(shí)，為了獲得大的MR率，優(yōu)選1.5nm或更大的膜厚度。另一方面，為了獲得大的被固定磁場(chǎng)，上層被固定層143的膜厚度最大優(yōu)選為5nm或更小，最好為4nm或更小。
如上所述，上層被固定層143的膜厚度優(yōu)選為1.5nm到5nm，最好為大約2.0nm到4nm。
對(duì)于上層被固定層143，可以使用具有fcc結(jié)構(gòu)的Co90Fe10合金、具有hcp結(jié)構(gòu)的Co，以及廣泛用于傳統(tǒng)磁阻效應(yīng)元件中的鈷合金，代替具有bcc結(jié)構(gòu)的磁性材料。作為上層被固定層143，可以使用諸如Co，F(xiàn)e，Ni的單金屬或包含它們中任意一個(gè)的合金材料。如果按照從獲取大的MR率最有利的角度排序，則用于上層被固定層143的磁性材料分別是具有bcc結(jié)構(gòu)的FeCo合金材料，鈷成分為50％或更高的鈷合金，Ni成分為50％或更高的鎳合金。
同樣的，對(duì)于上層被固定層143，可以用諸如Co2MnGe、Co2MnSi、Co2MnAl的霍伊斯勒(Heusler)磁性合金層。
這里舉出的實(shí)例是磁性層(FeCo層)和非磁性層(超薄Cu層)交互層疊作為上層被固定層143。在具有用非磁性元素材料層疊結(jié)構(gòu)的上層被固定層143中，可以通過超薄Cu層來提高被稱為自旋相依體積散射效應(yīng)的自旋相依散射效應(yīng)。
“自旋相依體積散射效應(yīng)”被用作與自旋相依界面散射效應(yīng)成對(duì)出現(xiàn)的術(shù)語。自旋相依體積散射效應(yīng)是MR效應(yīng)出現(xiàn)在磁性層內(nèi)部的現(xiàn)象。自旋相依界面散射效應(yīng)是MR效應(yīng)出現(xiàn)在分隔層和磁性層之間的界面上的現(xiàn)象。
下文將說明由于磁性層和非磁性層層疊結(jié)構(gòu)而使得體積散射效應(yīng)提高的情況。
在CCP-CPP元件中，電流被限制在分隔層16的附近，分隔層16界面附近的阻抗的貢獻(xiàn)是非常大的。特別是，分隔層16與磁性層(被固定層14，自由層18)之間界面上的阻抗與整個(gè)磁阻效應(yīng)元件的阻抗的比值非常大。這表示在CCP-CPP元件中自旋相依界面散射效應(yīng)的貢獻(xiàn)很大，因此非常重要。特別地，與傳統(tǒng)CPP元件的情況相比，對(duì)位于分隔層16的界面上的磁性材料的選擇意義重大。這是用具有bcc結(jié)構(gòu)的大自旋相依界面散射效應(yīng)的FeCo合金作為上層被固定層143的原因，如上所述。
然而，具有大自旋相依體積散射效應(yīng)的材料的使用是不能被忽視的，這對(duì)獲取高M(jìn)R率仍然很重要。用于獲得自旋相依體積散射效應(yīng)的超薄Cu層的膜厚度優(yōu)選為0.1nm到1nm，最好為0.2nm到0.5nm。如果Cu層的膜厚度太薄，則提高自旋相依體積散射效應(yīng)的效果就變得很弱。如果Cu層的膜厚度太厚，則自旋相依體積散射效應(yīng)可能會(huì)下降，而且具有非磁性Cu層插在其中的上下磁性層的磁耦合也會(huì)變?nèi)?，從而使得被固定?4的特性不足。因此，作為優(yōu)選實(shí)例的是使用0.25nm的Cu。
對(duì)于磁性層間的非磁性層的材料，可以使用Hf、Zr、Ti等來代替Cu。另一方面，當(dāng)插入這些超薄非磁性層時(shí)，諸如FeCo的磁性層的每一層的膜厚度優(yōu)選為0.5nm到2nm，最好是大約為1nm到1.5nm。
作為上層被固定層143，可以使用FeCo與Cu合金化制成的層代替FeCo層結(jié)構(gòu)和Cu層的交互層疊結(jié)構(gòu)。這種FeCoCu合金的實(shí)例是(FexCo100-x)100-yCuy(大約x＝30％到100％，y＝3％到15％)，但是也可以使用其它成分范圍。這里，對(duì)于加入到FeCo中的元素，可以使用其它元素如Hf、Zr、Ti代替Cu。
對(duì)于上層被固定層143，可以使用由Co、Fe、Ni或它們的合金材料構(gòu)成的單一層膜。例如，作為具有最簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的上層被固定層143，可以用已經(jīng)廣泛使用的2nm到4nm的Co90Fe10單一層?？梢韵蜻@個(gè)材料中加入其它元素。
下層金屬層15用于形成電流通路162，同時(shí)也是電流通路162的供給源。下層金屬層15還具有充當(dāng)阻止層的作用從而當(dāng)位于其上方的絕緣層16形成時(shí)，抑制位于其下方的上層被固定層143的氧化。
當(dāng)電流通路162的構(gòu)成材料是Cu時(shí)，則下層金屬層15的構(gòu)成材料最好也是相同的(Cu)。當(dāng)電流通路162的構(gòu)成材料是磁性材料時(shí)，這種材料既可以與被固定層14的磁性材料相同也可以與之不同。作為電流通路162的構(gòu)成材料，除了Cu以外也可以使用Au、Ag。
分隔層(CCP-NOL)16具有絕緣層161和電流通路162。
絕緣層161由氧化物、氮化物、氧氮化物等構(gòu)成。作為絕緣層161，可以是如Al2O3的非晶體結(jié)構(gòu)也可以是如MgO的晶體結(jié)構(gòu)。為了發(fā)揮出作為分隔層的功能，絕緣層161的厚度優(yōu)選在1nm到3nm的范圍內(nèi)，最好是1.5nm到2.5nm。
作為用于絕緣層161的典型絕緣材料有采用Al2O3作為基材料的和含有Al2O3并且其中加入添加元素的。作為添加元素的有Ti、Hf、Mg、Zr、V、Mo、Si、Cr、Nb、Ta、W、B、C、V等。添加這些添加元素的量可以在大約0％到50％的范圍內(nèi)作適當(dāng)改變。例如，大約2nm的Al2O3可以被用作絕緣層161。
對(duì)于絕緣層161，可以使用Ti氧化物、Hf氧化物、Mg氧化物、Zr氧化物、Cr氧化物、Ta氧化物、Nb氧化物、Mo氧化物、Si氧化物、V氧化物代替如Al2O3的Al氧化物。在這些氧化物的情況中，上述材料也可以用作添加元素。此外，添加元素的量可以在大約0％到50％的范圍內(nèi)適當(dāng)改變。
可以使用如上所述的Al、Si、Hf、Ti、Mg、Zr、V、Mo、Nb、Ta、W、B、C的氧氮化物或氮化物代替這些氧化物，只要它是具有絕緣電流功能的材料。
電流通路162是用于將電流沿垂直于分隔層16的膜表面?zhèn)鬏數(shù)耐?路徑)，并且用于限制電流。它們充當(dāng)允許電流沿垂直于絕緣層161的膜表面的方向流過的導(dǎo)體，且由例如Cu等的金屬層構(gòu)成。特別地，分隔層16具有電流限制通路結(jié)構(gòu)(CCP結(jié)構(gòu))，并且其MR率可以通過電流限制通路效應(yīng)得到提高。除了Cu以外，用于形成電流通路162(CCP)的材料的實(shí)例包括Au、Ag、Ni、Co、Fe以及含有這些元素中的至少一種的合金層。例如，電流通路162可以由含有Cu的合金層形成。也可以使用諸如CuNi、CuCo、CuFe的合金層。這里，為了高M(jìn)R率和降低被固定層14與自由層18之間層間耦合場(chǎng)(Hin)，優(yōu)選具有50％或更多的Cu的成分。
與絕緣層161相比，電流通路162是氧和氮含量較少的區(qū)域(至少氧和氮含量有雙倍或更多的不同)，并且呈結(jié)晶向。結(jié)晶向比非晶向具有更低的阻抗，且更易于充當(dāng)電流通路162。
上層金屬層17充當(dāng)阻擋層用于抑制組成分隔層16的氧/氮擴(kuò)散到自由層18中同時(shí)它也充當(dāng)種子層用于促進(jìn)自由層18中良好的晶體生長(zhǎng)。
特別地，上層金屬層17防止沉積在其上的自由層18接觸分隔層16中的氧化物/氮化物/氧氮化物并防止其被氧化或氮化。特別地，上層金屬層17限制電流通路162的氧化層中的氧化物與自由層18直接接觸。
此外，上層金屬層17具有使自由層18良好結(jié)晶的功能。例如，當(dāng)絕緣層161的材料是非晶體(如，Al2O3)時(shí)，沉積在其上的金屬層的結(jié)晶變得很差，但是通過配置可以使結(jié)晶良好的超薄種子層(例如，Cu層)，則自由層18的結(jié)晶效果能夠被顯著提高。
上層金屬層17的材料最好與分隔層16的電流通路162的材料(例如，Cu)相同。這是因?yàn)槿绻蠈咏饘賹?7的材料與電流通路162的材料不同的話，會(huì)導(dǎo)致界面阻抗的增加，但是如果兩者是相同的材料，則不會(huì)發(fā)生界面阻抗的增加。
注意如果采用磁性材料作為電流通路162的構(gòu)成材料，則該磁性材料可以與自由層18的磁性材料相同或不同。
除了Cu以外，也可以使用Au、Ag等作為上層金屬層17的構(gòu)成材料。
自由層18是具有鐵磁性材料的層，這種材料通過外部磁場(chǎng)改變磁化方向。自由層18的實(shí)例是使用NiFe并將CoFe插入界面中的Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]的兩層結(jié)構(gòu)。這種情況下，在與分隔層16的界面處，用CoFe合金比NiFe合金更有利于實(shí)現(xiàn)大的MR率。為了獲得高的MR率，位于分隔層16的界面處的自由層18的磁性材料的選擇是很重要的。注意如果不使用NiFe，則可以使用Co90Fe10[4nm]的單層。此外，也可以使用由如CoFe/NiFe/CoFe的三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的自由層18。此外，如下文所述，可以使用如CoZrNb的非晶體合金層作為自由層18的一部分。
在CoFe合金中，優(yōu)選Co90Fe10是因?yàn)樗哂蟹€(wěn)定的軟磁性特性。當(dāng)使用接近Co90Fe10的CoFe合金時(shí)，其膜厚度最好設(shè)定為0.5nm到4nm。除此以外，CoxFe100-x(x＝70到90)也是優(yōu)選使用的成分范圍。
此外，可以使用由交替層疊多層1nm到2nm的CoFe層或Fe層和大約為0.1nm到0.8nm的超薄Cu層構(gòu)成的層作為自由層18。
在形成分隔層16的材料中，當(dāng)電流流經(jīng)的電流通路162是由Cu層形成時(shí)，與被固定層14相似，也在自由層18中使用bcc的FeCo層作為與分隔層16的界面材料可以增大MR率。也可以使用bcc的FeCo合金替代fcc的CoFe合金作為與分隔層16的界面材料。在這種情況下，可以使用可以很容易地形成bcc層的FexCo100-x(x＝30到100)或通過向其中加入添加元素制成的材料。例如，可以使用Co50Fe50[1nm]/Ni85Fe15[3.5nm]。
此外，可以使用CoZrNb等的非晶體磁性層作為自由層18的一部分。
然而，當(dāng)使用非晶體磁性層時(shí)，有必要使用具有晶體結(jié)構(gòu)的磁性層作為與對(duì)MR率影響較大的與分隔層16接觸的界面。從分隔層16側(cè)來看下列結(jié)構(gòu)可以作為自由層18的結(jié)構(gòu)。特別是，可以考慮用(1)只有晶體層，(2)晶體層/非晶體層的層，(3)晶體層/非晶體層/晶體層的層等作為自由層18的結(jié)構(gòu)。這里重要的是在(1)到(3)的任意一個(gè)中，晶體層總是接觸與分隔層16的界面。
這里，當(dāng)形成自由層18時(shí)，在部分或整個(gè)磁性層形成的階段進(jìn)行晶體生長(zhǎng)處理。這種晶體生長(zhǎng)處理是用于控制其磁性層中的晶體生長(zhǎng)或晶粒直徑，后面將對(duì)此作詳細(xì)說明。
覆蓋層19具有保護(hù)自旋閥膜的功能。覆蓋層19可以是，例如，多個(gè)金屬層，如Cu層和Ru層的兩層結(jié)構(gòu)(Cu[1nm]/Ru[10nm])。此外，也可以用Ru/Cu層作為覆蓋層19，其中Ru配置在自由層18一側(cè)。在這種情況下，Ru的膜厚度最好在大約0.5nm到2nm。這種結(jié)構(gòu)的覆蓋層19是比較合適的尤其是當(dāng)自由層18由NiFe構(gòu)成時(shí)。這是因?yàn)橛捎赗u和Ni是不溶解的關(guān)系，這樣可以降低在自由層18和覆蓋層19之間形成的界面混合層中的磁彈性。
當(dāng)覆蓋層19是Cu/Ru或Ru/Cu時(shí)，Cu層的膜厚度最好大約為0.5nm到10nm，而Ru層的膜厚度可以約為0.5nm到5nm。由于Ru具有高的電阻率值，所以不宜使用太厚的Ru層，因此最好是在這樣的膜厚度范圍內(nèi)。
可以用除了Cu層或Ru層以外的金屬層作為覆蓋層19。覆蓋層19的結(jié)構(gòu)不局限于此，可以使用其他的材料只要它能夠像頂蓋一樣保護(hù)自旋閥膜。然而，覆蓋層的選擇可能改變MR率或長(zhǎng)期穩(wěn)定性，因此必須謹(jǐn)慎選擇。同樣從這些觀點(diǎn)來看，Cu和Ru是作為覆蓋層的材料的較為適宜的實(shí)例。
上電極20是用于沿垂直于自旋閥膜的方向傳導(dǎo)電流的電極。通過在下電極層11和上電極20之間施加電壓，電流在自旋閥膜內(nèi)部沿垂直于該膜的方向流動(dòng)。對(duì)于上電極20，可以使用低電阻的材料(如，Cu、Au)。
(電流通路162附近的微結(jié)構(gòu))在CCP-CPP自旋閥膜中，元件的特性(例如，磁場(chǎng)敏感度(MR率)，以及在高溫高壓下的穩(wěn)定性)取決于電流通路162附近的微結(jié)構(gòu)。特別是，為了確保元件的特性，控制微結(jié)構(gòu)是很重要的。
圖2是表示放大分隔層16尤其是電流通路162附近區(qū)域的放大視圖。
如圖所示，被固定層14(晶粒145)、下層金屬層15、電流通路162、上層金屬層17，以及自由層18(晶粒185)彼此上下對(duì)應(yīng)配置。被固定層14和自由層18分別由多個(gè)晶粒145和185構(gòu)成。這里，只示出電流通路162附近的晶粒145、185。
當(dāng)部分自由層18含有非晶體層時(shí)，至少與分隔層16的界面附近有必要具有如圖2所示的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)非晶體層包含在部分自由層18中時(shí)，磁性非晶體層層疊在圖2中的晶粒145上。
如圖所示，根據(jù)本實(shí)施例所述的CCP-CPP自旋閥膜具有下列結(jié)構(gòu)特性。
(1)被固定層14的晶粒145與電流通路162相對(duì)配置。
(2)自由層18的晶粒185與電流通路162相對(duì)配置。順便說一下，“相對(duì)”的一個(gè)方面是電流通路162至少直接配置在晶粒145或185中一個(gè)下面的情況。
(3)自由層18的晶粒185的粒徑D18最好比被固定層14的晶粒145的粒徑D14小。
(4)晶粒145、185的粒徑D14、D18的合適范圍-被固定層14的晶粒145的粒徑D14的范圍優(yōu)選為5nm到20nm，最好為8nm到20nm。
-自由層18的晶粒185的粒徑D18的范圍優(yōu)選為3nm到10nm，最好為3nm到8nm。
-優(yōu)選3nm到8nm的自由層18的晶粒185與8nm到20nm的被固定層14的晶粒145的組合。
(5)上層金屬層17的膜厚度T17最好比下層金屬層15的膜厚度T15大。
(6)下層金屬層15和上層金屬層17的膜厚度T15和T17的合適范圍-當(dāng)下層金屬層15的構(gòu)成材料與被固定層14的構(gòu)成材料不同時(shí)，下層金屬層15的膜厚度T15的范圍優(yōu)選為0.1nm到1.0nm，最好為0.1nm到0.5nm。
-當(dāng)上層金屬層17的構(gòu)成材料與自由層18的構(gòu)成材料不同時(shí)，上層金屬層17的膜厚度T17的范圍優(yōu)選為0.2nm到1.5nm，最好為0.3nm到1.0nm。
(7)絕緣層161的膜厚度T16，例如，優(yōu)選大約是1nm到3nm，最好是1.5nm到2.5nm。電流通路162的直徑D16，例如，大約為2nm到6nm。
在下文中將詳細(xì)介紹上述結(jié)構(gòu)。
(1)電流通路162的對(duì)面分別配置有被固定層14和自由層18的晶粒145和185。這里，晶粒145、185的中央部分配置成使得晶粒邊界146、186(例如，如圖5所示)不位于電流通路162的正上方或正下方。
電流被限制在電流通路162中并且流入磁性層(被固定層14和自由層18)，從而實(shí)現(xiàn)MR率的提高。這里，降低磁性層中的擴(kuò)散電子散射對(duì)實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R率是非常必要的。出于這個(gè)目的，除了使磁性層良好結(jié)晶外(具有更少的結(jié)晶缺陷)，晶粒145、185的晶粒邊界與電流通路162的位置關(guān)系是很重要的。當(dāng)晶粒邊界146存在于電流通路162的正上方或正下方時(shí)，在電流通路162中被限制的傳導(dǎo)電子就會(huì)在磁性層的晶粒邊界散射，因此喪失了自旋信息，或縮短了平均自由行程。這意味著降低了MR率。
而且，由于晶粒邊界是結(jié)晶未完成的區(qū)域，當(dāng)被限制在電流通路162中的大電流密度的電流流入晶粒邊界時(shí)，由于電遷移容易造成穩(wěn)定性變差。同樣從穩(wěn)定性的角度考慮在電流密度變大的電流通路162的正上方不存在結(jié)晶不完全的晶粒邊界是十分重要的。
由于電流通路162配置在被固定層14的晶粒145的中央部分，因此已經(jīng)通過電流通路162的感應(yīng)電流流過被固定層14的晶粒145的中央部分。因此，從電流通路162流出(或流向電流通路162)的電子流過結(jié)晶良好的區(qū)域，因此降低了在晶粒邊界中的傳導(dǎo)電子的散射(非彈性散射)或傳導(dǎo)電子的自旋反轉(zhuǎn)。結(jié)果，增大了MR率。用這種方法，為了減少不必要的非彈性散射，不將自由層18的晶粒邊界配置在電流通路162的正上方是很重要的。
同樣在被固定層14的情況下，考慮到穩(wěn)定性，不將自由層18的晶粒邊界配置在電流通路162的正下方是很重要的。
這里，圖2中的參考符號(hào)Ie表示電子的流動(dòng)，因此其方向與感應(yīng)電流的方向相反(同樣在后面介紹的圖3和圖4中使用)。特別地，電子從自由層18流向被固定層14，而電流從被固定層14流向自由層18。
電流通路162和磁性層的晶粒之間的這樣的配置關(guān)系在自由層18中比在被固定層14中更為嚴(yán)格。正如下面將要介紹的那樣，自由層18的晶粒185的粒徑比被固定層14的晶粒145的粒徑小。因此，自由層18的晶粒邊界在膜表面的二維平面中出現(xiàn)的更為頻繁，因此由于晶粒邊界而更易受到擴(kuò)散電子散射(非彈性散射)的影響。特別地，需要對(duì)晶粒邊界的配置加倍注意，換言之，電流通路162配置在自由層18的晶粒的中央是很重要的。特別地，當(dāng)自由層18的晶粒185的直徑D18用從0到100的相對(duì)值表示時(shí)，(定義0和100的方法將在后面介紹)，則至少電流通路162的一部分正好形成在30到70的范圍內(nèi)以下是很重要的。
(2)自由層18的晶粒185的粒徑D18比被固定層14的晶粒145的粒徑D14小。
電流通路162和自由層18之間的界面以及電流通路162和被固定層14之間的界面對(duì)CPP的MR率都是重要的因素。特別地，從增大MR率的觀點(diǎn)優(yōu)選設(shè)計(jì)被固定層14的晶粒145的微結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)大的MR率，晶粒直徑最好是盡可能的大。
-在自由層18的材料中，由于磁性很大，對(duì)于能夠用在與電流通路162的界面的材料的限制條件很大。另一方面，對(duì)于被固定層14的材料，它比自由層18有更多的選擇。換言之，可以用只在與電流通路162的界面中增加自旋相依界面散射效應(yīng)的材料作為被固定層14的材料。
由于電流在磁性層中不受限制，因此隨著從分隔層16沿膜厚度方向的距離變大，磁性層中的電流擴(kuò)散。因此，為了實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R率，晶粒邊界146、186(例如，如圖5所示)最好既不在電流通路162的正上方或正下方也不在電流通路162的附近。相應(yīng)地，為了實(shí)現(xiàn)大的MR率，磁性層的晶粒145、185的粒徑D14、D18最好做得更大一點(diǎn)從而使晶粒邊界不配置在電流通路162的附近。此外，為了充分增加被固定層14的磁化固定能力，制成微小的晶粒是適宜的，最好制成適當(dāng)大的晶粒直徑。
然而，作為元件(或磁頭)的性能來說不僅僅只有MR率是重要的。因此，通過放大晶粒145，可能會(huì)降低元件的性能。
由于電流通路162被配置成與被固定層14的每一個(gè)晶粒145相對(duì)應(yīng)，所以放大晶粒145降低了元件單位面積上的電流通路162的數(shù)量。例如，當(dāng)CCP-CPP-GMR頭的元件大小是50×50nm時(shí)，假設(shè)晶粒145的粒徑D14是40nm(晶粒直徑由膜表面內(nèi)部的晶粒的直徑來定義。如果不是一個(gè)理想的圓，則取直徑的最大值)，在一個(gè)元件中的晶粒145的數(shù)目是1或2。這種數(shù)量上的參差不齊導(dǎo)致了每個(gè)元件阻抗或MR率的參差不齊。為了減少各元件的參差不齊，晶粒145的粒徑最好較小。因此，減少各元件中特性的參差不齊和增大MR率的要求是互相矛盾的要求。
-另一方面，在自由層18中，實(shí)現(xiàn)良好的軟磁性(對(duì)于外部磁場(chǎng)反應(yīng)良好的磁化)也很重要。為了實(shí)現(xiàn)良好的軟磁性，與元件大小相比晶粒185的粒徑D18最好比較小。
考慮到軟磁性，作為晶粒185的粒徑D18很小的情況的極限，自由層18可以是不具有晶粒185的非晶體結(jié)構(gòu)。
然而，為了保持良好的MR率，整個(gè)自由層18都是非晶體結(jié)構(gòu)是不適宜的，因?yàn)樗陔娏魍?62附近接收非彈性電子散射。特別地，為了實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R率，與電流通路162接觸的磁性材料有必要是受非彈性電子散射影響較小并且可以實(shí)現(xiàn)低阻抗的晶體結(jié)構(gòu)。
在電流通路162附近，當(dāng)使用被視為是微小晶粒的最小狀態(tài)的非晶體結(jié)構(gòu)的磁性層時(shí)，該磁性層不能配置在與分隔層16的界面處。在這種情況下，非晶體磁性層通過具有晶體結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)構(gòu)配置在分隔層16上。因此，具有晶體結(jié)構(gòu)的磁性層至少存在于自由層18的分隔層16側(cè)的界面附近是很重要的。
-如上，關(guān)于磁性層的晶粒直徑存在復(fù)雜的平衡條件。尤其是，考慮到MR率，磁性層的晶粒直徑最好要大。另一方面，為了發(fā)揮出被固定層14的磁化固定能力，被固定層14的晶粒145的粒徑D14最好是合適的大小。此外，為了減少電流通路162的數(shù)量以及其尺寸的參差不齊，作為電流通路162基底的被固定層14的晶粒145的粒徑D14最好要小。另一方面，為了使得自由層18的軟磁性良好，自由層18的晶粒185的粒徑D18最好要小。然而，粒徑D18太小會(huì)導(dǎo)致MR率的下降。
(3)接下來將說明被固定層14和自由層18的晶粒145、185的粒徑D14、D18的合適范圍。
-晶粒145的粒徑D14的適宜范圍是5nm到20nm。當(dāng)粒徑D14小于這個(gè)范圍時(shí)，由于晶粒邊界電子的非彈性散射的影響會(huì)變大，從而導(dǎo)致MR率的降低。另一方面，例如，如果晶粒145的大小相對(duì)于60×60nm的元件大小太大，則會(huì)導(dǎo)致源于晶粒145的阻抗RA或MR率的參差不齊。注意這個(gè)晶粒范圍也與為了保持被固定層14的磁性特性良好的條件匹配。
晶粒145的粒徑D14的更為優(yōu)選的范圍是8nm到20nm。
-自由層18的晶粒185的粒徑優(yōu)選是3nm到10nm，最好是3nm到8nm。這是實(shí)現(xiàn)軟磁性和MR率之間平衡的范圍?？紤]到軟磁性，晶粒直徑最好要小，但是當(dāng)晶粒直徑太小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致MR率的下降?？紤]到MR率，晶粒直徑最好比膜厚度范圍大。考慮到實(shí)現(xiàn)良好的對(duì)磁頭的輸出有重要貢獻(xiàn)的軟磁性，優(yōu)選上述晶粒直徑范圍。
如已經(jīng)介紹過的，在自由層18中，作為粒徑D18較小情況的極限，部分自由層18可能是非晶體結(jié)構(gòu)(考慮到軟磁性)。然而，如上所述，至少在電流通路162的正上方，最好具有這里所示的晶粒直徑(考慮到實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R率)。
(4)將說明下層金屬層15的膜厚度T15。
當(dāng)下層金屬層15的構(gòu)成材料與被固定層14的構(gòu)成材料不同時(shí)，下層金屬層15的膜厚度T15優(yōu)選是0.1nm到1.0nm，最好是0.1nm到0.5nm。
圖3是表示本發(fā)明的第一比較實(shí)例的剖面視圖，與圖2對(duì)應(yīng)。在這個(gè)實(shí)例中，下層金屬層15的膜厚度T15x比1.0nm厚。
為了在CCP-CPP元件中獲得高M(jìn)R率，限制在分隔層16中的電流在仍被限制時(shí)到達(dá)磁性層(被固定層14或自由層18)是很有必要的。當(dāng)下層金屬層15很厚時(shí)，限制在電流通路162中的電流在到達(dá)磁性層之前在低阻抗的下層金屬層15內(nèi)擴(kuò)散。因此，通過電流通路162中的電流限制通路結(jié)構(gòu)造成的增加MR率的效果降低了，這導(dǎo)致了MR率的降低。為了避免這個(gè)問題，下層金屬層15的膜厚度T15最好是1nm或更小。
另一方面，即使在半原子層中諸如Cu的層的存在可以避免被固定層14和絕緣層161的直接接觸，并且可以確保作為被固定層14的金屬材料的穩(wěn)定性。因此，最好存在0.1nm或更大的下層金屬層15。然而，當(dāng)下層金屬層15的構(gòu)成材料與被固定層14的相同時(shí)，就不再定義下層金屬層15的膜厚度T15，因此不局限于此。
(5)接下來將說明上層金屬層17的膜厚度T17。
當(dāng)上層金屬層17的構(gòu)成材料是Cu等物質(zhì)時(shí)，換言之，與構(gòu)成自由層18的磁性材料不同時(shí)，上層金屬層17的膜厚度T17優(yōu)選為0.2nm到1.5nm，最好是0.3nm到1.0nm。
圖4是表示本發(fā)明的第二比較實(shí)例的剖面視圖，與圖2對(duì)應(yīng)。在這個(gè)實(shí)例中，上層金屬層17的膜厚度T17x比1.5nm厚。
當(dāng)上層金屬層17很厚時(shí)，限制在電流通路162中的電流在到達(dá)磁性層之前在低阻抗的上層金屬層17中擴(kuò)散。因此，通過電流通路162中的電流限制通路造成的增加MR率的效果降低了，這導(dǎo)致了MR率的降低。為了避免這個(gè)問題，上層金屬層17的膜厚度T17最好是1.5nm或更小。
另一方面，當(dāng)上層金屬層17的膜厚度T17比0.2nm薄時(shí)，會(huì)很難使在其上結(jié)晶成長(zhǎng)的自由層18的結(jié)晶性良好。因此，上層金屬層17的膜厚度T17最好是0.2nm或更大。然而，當(dāng)上層金屬層17的構(gòu)成材料和自由層18相同時(shí)，就不再定義上層金屬層17的膜厚度，因此不局限于此。
(6)上層金屬層17的膜厚度T17最好比下層金屬層15的膜厚度T15大。
當(dāng)自由層18的晶粒185的粒徑D18很小時(shí)，在電流通路162的上或下具有低阻抗的金屬層內(nèi)的電流的擴(kuò)散的影響也很小。由于阻抗在晶粒邊界很大，所以二維平面方向中電流的擴(kuò)散的影響很小。因此，可以使得與具有小晶粒直徑的磁性材料接觸的上層金屬層17的膜厚度T17比與具有大晶粒直徑的磁性材料接觸的下層金屬層15的膜厚度T15大。例如，當(dāng)下層金屬層15的膜厚度T15是0.2nm時(shí)，上層金屬層17的膜厚度T17可以是0.3nm或更大。
此外，考慮作為種子層提高自由層18中的晶體生長(zhǎng)，上層金屬層17最好很厚。自由層18的特性影響元件的動(dòng)態(tài)性能。因此，利用上層金屬層17，可以改善自由層18的結(jié)晶性，并且可以提高元件的整體性能。
如上，上層金屬層17的膜厚度T17允許比下層金屬層15的膜厚度T15稍大。這與上層金屬層17對(duì)應(yīng)的自由層18的晶粒直徑比與下層金屬層15對(duì)應(yīng)的被固定層14的晶粒直徑小對(duì)應(yīng)。
(7)下面將說明絕緣層161的膜厚度T16以及電流通路162的直徑D16。
當(dāng)絕緣層161的膜厚度T16在大約1.0nm到3.0nm(最好是1.5mm到2.5nm)的范圍內(nèi)時(shí)，可以用后面將要介紹的PIT較為容易地制造絕緣層161和電流通路162。此外，在這個(gè)范圍內(nèi)的膜厚度T16對(duì)于電流限制通路效應(yīng)方面也是有利的。
貫通絕緣層161的電流通路162的直徑大于等于1nm小于等于10nm，最好是大約2nm到6nm。直徑大于10nm的電流通路162是不可取的，因?yàn)楫?dāng)元件尺寸作得很小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致各元件的特性參差不齊，最好不要存在直徑大于6nm的電流通路162。
圖5、圖6、圖7分別是表示分隔層16的實(shí)例的剖面、頂面、底面的剖面視圖、俯視圖和仰視圖。頂面和底面分別表示從自由層18側(cè)和被固定層14側(cè)看到的狀態(tài)。注意與圖2相比，在這些視圖中放大倍數(shù)較小。
圖6和圖7不僅顯示自由層18和被固定層14的晶粒185、145，還投影顯示電流通路162從而顯示垂直位置關(guān)系。這個(gè)微結(jié)構(gòu)可以通過后面介紹的三維原子探測(cè)器得到確認(rèn)。
如圖5到圖7所示，電流通路162配置在被固定層14和自由層18的晶粒145、185的中央部分的膜厚度方向的延長(zhǎng)線上。這個(gè)位置關(guān)系可以通過觀察投影結(jié)構(gòu)得到確認(rèn)。
如圖5到圖7所示，在位于電流通路162上方的晶粒之間也可以配置自由層18的晶粒185。電流通路162的正上方的晶粒185是用電流通路162作為起點(diǎn)通過晶體生長(zhǎng)形成的，從而其結(jié)晶性相對(duì)較好。但是，考慮到在自由層18中實(shí)現(xiàn)良好的軟磁性，除了電流通路162正上方的以外，使絕緣層161(氧化材料)上方的晶粒185良好結(jié)晶也是很重要的。這是因?yàn)樵陔娏魍?62中限制的傳導(dǎo)電子不僅流向自由層18的單個(gè)晶粒185也會(huì)通過晶粒邊界186流向周圍的晶粒185。
如上，與電流通路162正上方的晶粒185相鄰的晶粒185的結(jié)晶性也很重要。此外，自由層18的軟磁性不僅由電流通路162正上方的晶粒185決定，也由那些除了電流通路162正上方的晶粒185以外的晶粒185決定。特別是，考慮到軟磁性，它被決定反映所有晶粒185的特性，因此控制所有磁性層的晶粒185的微結(jié)構(gòu)是很重要的。
除了電流通路162正上方的晶粒以外的晶粒185的結(jié)晶性不僅取決于電流通路162的形成過程也取決于自由層18的形成過程。通過后敘的晶體生長(zhǎng)處理，可以改善除了電流通路162正上方的晶粒185以外的晶粒185的結(jié)晶性。
此外，圖8到圖10分別顯示分隔層16的另一實(shí)例的剖面、頂面、底面的剖面視圖、俯視圖和仰視圖，與圖5到圖7對(duì)應(yīng)。
在圖8到圖10的結(jié)構(gòu)中，電流通路162所占據(jù)的面積比在圖5到圖7的結(jié)構(gòu)中小。結(jié)果，圖8到圖10中的結(jié)構(gòu)是面積阻抗RA比在圖5到圖7中的結(jié)構(gòu)高的情況的例子。
與圖5到圖7中的結(jié)構(gòu)相比，各電流通路162的面積比在圖8到圖10中的結(jié)構(gòu)要小。此外，在圖8到圖10的結(jié)構(gòu)中，小的電流通路162不見了且其數(shù)量也降低了。除了這幾點(diǎn)以外，圖8到圖10的結(jié)構(gòu)與圖5到圖7的結(jié)構(gòu)相同。
這種電流通路162可以通過增加非氧化材料的膜厚度來形成。特別地，不僅可以通過形成完全垂直貫通氧化層的電流通路162來調(diào)節(jié)阻抗，也可以通過形成不完全貫通的電流通路162或貫通部分的面積較小的電流通路162來調(diào)節(jié)阻抗。這種情況在圖8到圖10中顯示。
這里，晶粒185、145的中央部分可以定義如下。如圖5、圖6、圖7所示，劃出一條直線橫斷自由層18和被固定層14的晶粒185、145。此時(shí)，劃出橫跨晶粒185、145的具有最長(zhǎng)長(zhǎng)度的一條直線。在直線上，晶粒邊界186、146的一端G0和另一端G1分別定義為坐標(biāo)0和坐標(biāo)100。同時(shí)，位于坐標(biāo)30和70之間的位置定義為中央部分。
將電流通路162配置于自由層18的晶粒185中央部分的正下方對(duì)于實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R率是很重要的。如上所述，為了實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R率，限制在電流通路162內(nèi)的電流通過晶粒而在晶粒邊界中傳導(dǎo)電子沒有非彈性散射，這是很重要的。此外，如上所述，將電流通路162配置于被固定層14的晶粒145的中央部分的正上方對(duì)于實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R率也很重要。
然而，在自由層18中，晶粒185很小且晶粒邊界靠近電流通路162。因此，在自由層18中，比被固定層14更需要將電流通路162配置于晶粒中央部分，這種位置關(guān)系是很重要的。
相對(duì)于被固定層14的晶粒145的中央部分的位置，電流通路162的位置很大程度上取決于電流通路162的形成條件。另一方面，相對(duì)于自由層18的晶粒185的中央部分的位置，電流通路162的位置除了取決于電流通路162的形成條件以外還取決于自由層18的形成條件。自由層18的晶體結(jié)構(gòu)不能由電流通路162的形成條件控制，因此自由層18的形成條件也很重要。通過后敘的晶體生長(zhǎng)處理，可以對(duì)應(yīng)電流通路162形成晶粒185，且除了電流通路162正上方的晶粒185以外的晶粒的結(jié)晶性可以被良好地保持。
晶粒邊界可以定義為具有相同晶向的部分(晶粒)和與該部分(晶粒)的晶向不同的部分(另一晶粒)之間的邊界部分。晶向是否相同可以通過TEM圖像中的電子衍射斑識(shí)別。順便說一下，用暗場(chǎng)圖像也是用于識(shí)別晶粒的有效方法。
這里，當(dāng)晶粒很小時(shí)，可能會(huì)難以從電子衍射斑上識(shí)別各個(gè)晶粒。這是因?yàn)殡娮语@微鏡是對(duì)具有深度方向的厚度的觀測(cè)樣本進(jìn)行二維投影的畫面。當(dāng)被測(cè)量樣本的深度方向存在多個(gè)晶粒時(shí)，由于這些晶粒的電子束彼此互相干擾因此難以識(shí)別各個(gè)晶粒。
在這種情況下，可以用三維原子探測(cè)器通過合金材料的組成分布識(shí)別出晶粒邊界。
圖11、圖12、圖13是表示部分自由層18由NiFe形成的情況下晶粒邊界的實(shí)例的視圖。該自由層18從分隔層16側(cè)由CoFe/NiFe構(gòu)成。
圖11是表示用三維原子探測(cè)器測(cè)量得到的自由層18的Ni原子的濃度分布的實(shí)例的視圖。圖12是強(qiáng)調(diào)圖11的Ni原子的濃度分布的視圖。圖11中Ni的成分濃度更清晰地強(qiáng)調(diào)出來。圖13是表示在自由層18的膜表面中Ni原子的濃度梯度的實(shí)例的視圖。
如圖13所示，對(duì)于Ni的濃度梯度，差值在3％或以上的富含Ni的部分被定義為晶粒邊界186。即，鎳濃度的峰值P1到P3對(duì)應(yīng)晶粒邊界186，且兩者間的距離L1、L2對(duì)應(yīng)晶粒185的粒徑D18(此處，大約為6nm)。
此外，如圖13所示，富含Ni的位置Fe匱乏。即，晶粒內(nèi)部和晶粒邊界在微結(jié)構(gòu)上是不同的，因此局部成分上產(chǎn)生分布。由于在晶粒和晶粒邊界中都有存在概率高的元素，因此可以通過成分映射識(shí)別晶粒區(qū)域和晶粒邊界區(qū)域。
在晶粒具有是本實(shí)施例目標(biāo)這樣的3nm或更大的粒徑的情況下，與晶粒內(nèi)部相比晶粒邊界具有更小的體積。因此，如圖13所示，可以只把含有不同成分的一些區(qū)域定義為晶粒邊界并將含有基本固定成分的大部分區(qū)域定義為晶粒內(nèi)部。
當(dāng)晶粒的大小是1nm或更小時(shí)或者當(dāng)其是非晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，在這個(gè)場(chǎng)所就不會(huì)出現(xiàn)成分的濃度分布，因此變得平坦。這里，對(duì)成分的濃度分布的存在定義為濃度分布是3原子％或更多的情況。
這個(gè)定義可以被擴(kuò)展到磁性材料的成分是不同的情況?？偟膩碚f，可以把其中合金磁性材料的成分有3原子％或更多的差異的閉合區(qū)域(環(huán)形、方形、六角形等的環(huán))定義為晶粒。例如，在FeCo合金的情況中，可以把在膜表面中Fe和Co的成分有3原子％或更多差異的二維閉合區(qū)域的內(nèi)部定義為晶粒。
在圖12中，除了用這種方法定義的晶粒邊界186以外，也通過投影示出了構(gòu)成電流通路162的Cu。如圖12所示，形成電流通路162的Cu被配置于自由層18的晶粒185的中央部分，即在坐標(biāo)30到坐標(biāo)70的范圍內(nèi)至少電流通路162的一部分存在的位置。此外，在自由層18的晶粒185的中央部分，即坐標(biāo)30到坐標(biāo)70的位置，存在電流通路的Cu的純度最高的區(qū)域。這里，未示出下層金屬層15和上層金屬層17。只示出了電流通路162的中央部分，即只示出了Cu的純度最高的區(qū)域。
下面將詳細(xì)描述使用能夠?qū)D11到圖13進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察的三維原子探測(cè)顯微鏡的觀察方法。
三維原子探測(cè)顯微鏡是一種能夠按原子順序?qū)Σ牧系某煞中畔⑦M(jìn)行三維映射的測(cè)量方法。具體是，對(duì)測(cè)量目標(biāo)樣本施加高電壓，該目標(biāo)樣本被加工成末端的曲率半徑為30nm到100nm，高約100μm的針狀。然后，用二維探測(cè)器探測(cè)從測(cè)量目標(biāo)樣本的末端被電場(chǎng)蒸發(fā)的原子的位置。通過跟蹤在用二維探測(cè)器探測(cè)到的(x，y)二維平面中的原子的位置信息的時(shí)間經(jīng)過(時(shí)間軸)，可以獲得Z方向上的深度信息，從而使得(x，y，z)三維結(jié)構(gòu)的觀察成為可能。
如圖2到圖6所示的結(jié)構(gòu)可以通過，例如，意象科學(xué)儀器公司(Imago ScientificInstruments Corporation)的局部電子探測(cè)儀(Local Electrode Atom Probe)得到確認(rèn)。
圖11只表示出自由層18的Ni的狀態(tài)，圖12表示出自由層18的Ni和只具有高濃度Cu的區(qū)域。同樣在電流通路162的內(nèi)部，存在Cu的濃度梯度。因此，如果顯示出即使很少量的Cu，上層金屬層17中的Cu和下層金屬層15中的Cu也可以被顯示出來。在圖12中，為了只強(qiáng)調(diào)電流通路162，只顯示在1nm3的立方中含有50％或更高濃度Cu的區(qū)域。結(jié)果，設(shè)置為不顯示厚度為0.5nm或更小的上層金屬層17或下層金屬層15的狀態(tài)。與電流通路162的大小相比，下層金屬層15和上層金屬層17更薄。因此，當(dāng)只顯示具有高純度Cu的區(qū)域時(shí)，只有電流通路162的中央部分被顯示出來。
應(yīng)該注意到盡管這里使用意象科學(xué)儀器公司的設(shè)備，但是也可以使用牛津儀器、Cameca或具有同等功能的三維原子探測(cè)器進(jìn)行分析。
此外，一般來說電場(chǎng)蒸發(fā)是由施加電壓脈沖造成的，然而可以用激光脈沖代替電壓脈沖。無論是在哪種情況，都要使用直流電壓增加偏置電場(chǎng)。在電壓脈沖情況下，電場(chǎng)蒸發(fā)所需要的電場(chǎng)通過電壓施加。在激光脈沖的情況下，通過提高局部的溫度從而制造電場(chǎng)蒸發(fā)容易發(fā)生的狀態(tài)來產(chǎn)生電場(chǎng)蒸發(fā)。
在超薄層的情況下，定義原子成分本身是很困難的。因此，可以基于存在Cu的區(qū)域來定義膜厚度。在不同的層中，易于對(duì)與存在Cu的區(qū)域?qū)?yīng)的膜厚度進(jìn)行相對(duì)地比較。例如，甚至可以用0.1nm數(shù)量級(jí)的膜厚度來確定下層金屬層15中的Cu和上層金屬層17中的Cu哪個(gè)更厚。
(磁阻效應(yīng)元件的制造方法)下文將說明本實(shí)施例所述的磁阻效應(yīng)元件的制造方法。
圖14是表示磁阻效應(yīng)元件的制造步驟的實(shí)例的流程圖。此外，圖15是表示用于制造磁阻效應(yīng)元件的沉積設(shè)備的概況的示意圖。
如圖15所示，用過渡腔(TC)5O作為中心，通過閘門閥分別提供負(fù)載固定腔51、預(yù)清洗腔52、第一金屬膜沉積腔(MC1)53、第二金屬膜沉積腔(MC2)54、以及氧化層/氮化層形成腔(OC)60。在這個(gè)沉積設(shè)備中，基板可以在與閘門閥相連的各個(gè)腔之間的真空中傳送，因此基板的表面要保持干凈。
金屬膜沉積腔53、54具有多個(gè)(5到10個(gè))目標(biāo)。沉積方法的實(shí)例包括諸如DC磁控濺射、RF磁控濺射等的濺射方法，離子束濺射方法，氣相沉積方法，CVD(化學(xué)氣相沉積)方法，MBE(分子束外延)方法等。
如圖14所示，從基層12到覆蓋層19依次被形成。(步驟S11到步驟S17)。
在基板(未示出)上，依次形成下電極11、基層12、固定層13、被固定層14、下層金屬層15、分隔層16、上層金屬層17、自由層18、覆蓋層19、上電極20。
基板設(shè)置在負(fù)載固定腔51上，金屬的沉積是在金屬沉積腔53、54中進(jìn)行的，而氧化是在氧化層/氮化層形成腔60中進(jìn)行的。金屬膜沉積腔所達(dá)到的真空等級(jí)最好是1×10-8Torr或更低，一般大約為5×10-10到5×10-9Torr。過渡腔50所達(dá)到的真空等級(jí)為10-9Torr數(shù)量級(jí)。氧化層/氮化層形成腔60所達(dá)到的真空等級(jí)最好是8×10-8Torr或更低。
(1)基層12的形成(步驟S11)通過微加工處理預(yù)先在基板(未示出)上形成下電極11。
在下電極11上，例如，沉積Ta[5nm]/Ru[2nm]作為基層12。正如已經(jīng)介紹的那樣，Ta是用于緩和下電極表面粗糙程度的緩沖層12a。Ru是用于控制沉積其上的自旋閥膜的晶向和晶粒直徑的種子層12b。
(2)固定層13的形成(步驟S12)固定層13沉積在基層12上?？梢杂弥T如PtMn、PdPtMn、IrMn、RuRhMn的鐵磁性材料作為固定層13的材料。
(3)被固定層14的形成(步驟S13)被固定層14在固定層13上形成。被固定層14可以是，例如，由下層被固定層141(Co90Fe10[3.6nm])、磁耦合層142(Ru
)以及上層被固定層143(FeCo[1nm]/Cu
/FeCo[1nm]/Cu
/FeCo[1nm])構(gòu)成的合成被固定層。
(4)分隔層16的形成(步驟S14)接著，形成具有電流限制通路結(jié)構(gòu)(CCP結(jié)構(gòu))的分隔層(CCP-NOL)16。為了形成分隔層16，使用氧化層/氮化層形成腔60。
為了形成分隔層16，使用如下方法。這里將會(huì)說明一個(gè)實(shí)例，在該實(shí)例中在由具有非晶體結(jié)構(gòu)的Al2O3形成的絕緣層161中形成含有由具有金屬晶體結(jié)構(gòu)的Cu構(gòu)成的電流通路162的分隔層16。
1)在上層被固定層143上，沉積成為電流通路的供給源的下層金屬層15(第一金屬層，例如Cu)，然后在下層金屬層15上沉積將被變換為絕緣層161的待氧化的金屬層(第二金屬層，例如AlCu或Al)。
待氧化的金屬層通過在其上照射稀有氣體(如Ar)的離子束進(jìn)行預(yù)處理。這種預(yù)處理稱為PIT(預(yù)離子處理)。作為PIT的結(jié)果，產(chǎn)生部分下層金屬層15被吸收進(jìn)入到待氧化金屬層內(nèi)的狀態(tài)。在用這種方法進(jìn)行氧化處理之前，在第二金屬層沉積后進(jìn)行諸如PIT的能量處理是非常重要的。用稀有氣體的RF等離子體代替離子束進(jìn)行PIT可以達(dá)到同等效果。
此外，作為具有與PIT同等效果的處理，可以在氧化之前進(jìn)行預(yù)熱處理。在這種情況下，對(duì)于其溫度，最好在100℃到400℃的溫度范圍進(jìn)行處理。無論是PIT還是預(yù)熱處理的情況，在真空中進(jìn)行原位(in-situ)是很重要的，并且最好不要將樣本暴露在空氣中。
在進(jìn)行PIT之前沉積下層金屬層15的時(shí)候，第一金屬層(下層金屬層15Cu層)就以二維膜的形式存在了。通過PIT步驟，第一金屬層內(nèi)的Cu被吸收到AlCu層中并進(jìn)入其內(nèi)部。進(jìn)入AlCu層的Cu即使在進(jìn)行了隨后的氧化處理后仍保持金屬狀態(tài)，或者利用氧化時(shí)的能量促進(jìn)氧化物Al2O3和金屬Cu的分離，從而變成電流通路162。PIT對(duì)實(shí)現(xiàn)具有高純度Cu的電流限制通路(CCP)結(jié)構(gòu)是很重要的。
在PIT步驟中，在加速電壓30V到150V、電子束電流20mA到200mA以及處理時(shí)間30秒到180秒的條件下照射Ar離子。在加速電壓中，優(yōu)選40V到60V的電壓范圍。在電壓范圍高于這個(gè)值的情況下，由于PIT之后受表面粗糙度等的影響可能會(huì)出現(xiàn)MR率的下降。也可以用30mA到80mA的范圍內(nèi)的電流值和60秒到150秒的范圍內(nèi)的照射時(shí)間。注意當(dāng)使用RF等離子體時(shí)，優(yōu)選相似的條件范圍。
此外，除了PIT，還有通過偏壓濺射的方法在被轉(zhuǎn)變?yōu)橹T如AlCu或Al的絕緣層161之前形成金屬層的方法。在這種情況下，DC偏壓下偏壓濺射的能量可以是30V到200V而RF偏壓下為30W到200W。此外，也可以在進(jìn)行能量輔助(energy assist)時(shí)通過離子束進(jìn)行沉積。在這種情況下，離子束的能量最好約為30V到200V。
作為PIT的結(jié)果，下層金屬層15的最終膜厚度T15變得比沉積開始時(shí)的膜厚度T15s(初始膜厚度)薄。這是因?yàn)橄聦咏饘賹?5進(jìn)入位于其上的非氧化金屬并且被吸入其中。為了恰當(dāng)?shù)乇３肿罱K膜厚度T15，有必要考慮由于PIT而使膜厚度的降低。具體地，下層金屬層15的初始膜厚度T15s是根據(jù)待氧化金屬層的膜厚度而調(diào)整的。特別地，當(dāng)待氧化金屬層的膜厚度增加時(shí)，必須在PIT步驟時(shí)增加允許進(jìn)入待氧化金屬層的下層金屬層15的成分，因此有必要增厚下層金屬層15的初始膜厚度T15s。例如，當(dāng)待氧化金屬層是膜厚度為0.6nm到0.8nm的AlCu時(shí)，初始膜厚度T15s被設(shè)置為大約0.1nm到0.5nm。當(dāng)待氧化金屬層是膜厚度為0.8nm到1nm的AlCu時(shí)，初始膜厚度T15s被設(shè)置為大約0.3nm到1nm。
為了實(shí)現(xiàn)具有良好結(jié)構(gòu)的高純度的電流通路162，最好進(jìn)行PIT。然而，也可以在氧化處理之后進(jìn)行用于進(jìn)行離子束或RF等離子體處理的AIT代替PIT。這將在后面介紹。
如果下層金屬層15的初始膜厚度T15s太薄，則在PIT步驟中就不會(huì)為待氧化金屬層提供足夠的下層金屬層15的成分，這就難以允許電流通路162貫通到待氧化金屬層的上部。造成的結(jié)果是，面積阻抗RA變得非常高，并且MR率變成不足的值。
另一方面，如果下層金屬層15的初始膜厚度T15s太厚，則下層金屬層15的最終膜厚度T15有可能太大。正如已經(jīng)描述的，下層金屬層15的最終膜厚度T15最好是1nm或更小。如果膜厚度大于這個(gè)值，則會(huì)喪失電流限制通路效應(yīng)，并且喪失MR率的增加效應(yīng)。
2)接著，向待氧化金屬層提供氧化氣體(如，氧氣)以形成絕緣層161。同時(shí)，選取的條件使得電流通路162不被氧化且保持原態(tài)。通過氧化，待氧化金屬層轉(zhuǎn)化為由Al2O3構(gòu)成的絕緣層161，從而形成貫通絕緣層161的電流通路162并形成分隔層16。
例如，在照射一束稀有氣體(如Ar、Xe、Kr、He)離子束的同時(shí)提供氧化氣體(如，氧氣)，從而氧化待氧化金屬層(離子束輔助氧化(IAO))。通過這種氧化處理，具有由Al2O3構(gòu)成的絕緣層161和由Cu構(gòu)成的電流通路162的分隔層16就形成了。這是利用氧化能量差異的處理，使得Al易于被氧化而Cu不易被氧化。最好是將氧化氣體直接引入氧化腔，但是在使用離子槍氧化的情況下，氧氣可能被引入到離子源中。
在這一步中，當(dāng)供給氧氣時(shí)，在加速電壓為40V到200V、電子束電流為30mA到200mA，以及處理時(shí)間為15秒到300秒的條件下照射Ar離子。在上述加速電壓中，電壓范圍最好是50V到100V。如果加速電壓高于這個(gè)值，則在IAO處理中由于受表面粗糙等的影響會(huì)出現(xiàn)MR率的降低。也可以采用40mA到100mA的電子束電流和30秒到180秒的照射時(shí)間。
對(duì)于通過IAO的氧化處理中的氧氣供給量，2000L到4000L是優(yōu)選的范圍。在IAO處理中，如果不僅是Al還有下層磁性層(被固定層14)也被氧化的話，就會(huì)降低耐熱性和CCP-CPP元件的穩(wěn)定性，因此不可取。為了提高穩(wěn)定性，位于分隔層16下方的磁性層(被固定層14)不被氧化且處于金屬狀態(tài)是非常重要的。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，氧氣供給量需要處于上述范圍內(nèi)。
此外，為了利用供給的氧氣形成穩(wěn)定的氧化物，最好只當(dāng)離子束在基板表面被照射時(shí)才允許氧氣流過。即，當(dāng)離子束沒有在基板表面上被照射時(shí)最好不允許氧氣流過。
可以使用Au、Ag等替代Cu作為形成電流通路162的第一金屬層(下層金屬層15)的材料。然而，與Au、Ag相比，Cu在熱處理時(shí)具有更高的穩(wěn)定性，因此更為可取。可以使用磁性材料替代那些非磁性材料作為第一金屬層的物質(zhì)。這些磁性材料的實(shí)例包括Co、Fe、Ni和它們的合金。
當(dāng)用于被固定層14的磁性材料和用于電流通路162的磁性材料相同時(shí)，就沒有必要在被固定層14上為電流通路162沉積供給源(第一金屬層)。特別地，在將要被轉(zhuǎn)換為絕緣層161的第二金屬層被沉積在被固定層14上以后，通過進(jìn)行PIT步驟使得被固定層14的材料進(jìn)入了第二金屬層，從而形成由磁性材料構(gòu)成的電流通路162。
當(dāng)?shù)诙饘賹邮褂肁l90Cu10時(shí)，在PIT處理中不僅第一金屬層中的Cu被吸收，而且在AlCu中的Cu也被與Al分離。特別地，從第一金屬層和第二金屬層上形成電流通路162。當(dāng)在PIT步驟之后進(jìn)行離子束輔助氧化(IAO)時(shí)，在利用離子束的輔助效應(yīng)的氧化處理中，在促進(jìn)Al2O3和Cu的分離的同時(shí)進(jìn)行氧化。特別地，通過利用離子束的能量輔助效應(yīng)，Al很容易被氧化而Cu很容易被還原，并且易于形成具有高純度Cu的CCP。
這里，雖然用離子束作為IAO，但是也可以用RF等離子體代替離子束。同樣在這種情況下，電壓、電流、氧氣量、處理時(shí)間的合適范圍與那些用于IAO的情況類似。
可以用不含電流通路162的構(gòu)成材料的Cu的Al的單金屬代替Al90Cu10作為第二金屬層。在這種情況下，用作電流通路162的構(gòu)成材料的Cu只能從作為基底的第一金屬層供給。當(dāng)用AlCu作為第二金屬層時(shí)，用作電流通路162的材料的Cu也可以在PIT步驟中從第二金屬層供給。因此，當(dāng)形成厚的絕緣層161時(shí)，可以相對(duì)容易地形成電流通路162。當(dāng)用Al作為第二金屬層時(shí)，Cu就難以與氧化形成的Al2O3混合，因此具有高電壓阻抗的Al2O3可以很容易地形成。由于Al和AlCu具有各自的優(yōu)點(diǎn)，因此可以根據(jù)情況合理使用。
當(dāng)用AlCu作為第二金屬層時(shí)，優(yōu)選具有用AlxCu100-x(x＝100％到70％)表示的成分的AlCu。對(duì)于AlCu，可以加入諸如Ti、Hf、Zr、Nb、Mg、Mo、Si的元素。在這種情況下，添加元素的成分最好約為2％到30％。當(dāng)添加了這些元素后，會(huì)使CCP結(jié)構(gòu)的形成變得簡(jiǎn)單。此外，當(dāng)這些添加元素在Al2O3的絕緣層161與Cu的電流通路162的邊界區(qū)域比其他區(qū)域分布地豐富時(shí)，絕緣層161和電流通路162的粘著性提高，同時(shí)也提高了電子遷移阻抗(electro-migration resistance)。在CCP-CPP元件中，在分隔層16的金屬通路中流過的電流密度變成很大的值達(dá)到107A到1010A/cm2。因此，電子遷移阻抗高是很重要的，同時(shí)也可以確保在傳導(dǎo)電流時(shí)Cu電流通路162的穩(wěn)定性。然而，當(dāng)形成了適當(dāng)?shù)腃CP結(jié)構(gòu)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)足夠好的電子遷移阻抗而不需要向第二金屬層添加元素。
第二金屬層的材料不局限于用于形成Al2O3的Al合金，也可以是以諸如Hf、Mg、Zr、Ti、Ta、Mo、W、Nb、Si為主要成分的合金。此外，從第二金屬層轉(zhuǎn)變而來的絕緣層161也不局限于氧化物，也可以是氮化物或氧氮化物。
當(dāng)任意一種材料用作第二金屬層時(shí)，其沉積時(shí)的膜厚度最好是0.5nm到2nm。此外，在轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸?、氮化物或氧氮化物時(shí)的膜厚度優(yōu)選約為1.0nm到3.0nm，最好是1.5nm到2.5nm。
絕緣層161可能不僅是含有單元素的氧化物，也可以是合金材料的氧化物、氮化物、氧氮化物。例如，用Al2O3作為基底材料，可以用Ti、Mg、Zr、Ta、Mo、W、Nb、Si等中的任意一種元素或在Al中含有0％到50％多種元素的材料的氧化物等。
如上所述，通過PIT從下層金屬層15中吸收的成分組成了電流通路162。此時(shí)，在被固定層14的晶粒145正上方的下層金屬層15被優(yōu)先吸收成為電流通路162，因此晶粒145和電流通路162應(yīng)彼此對(duì)應(yīng)配置。
通過PIT，下層金屬層15中的Cu被集中到被固定層14的晶粒145(下層金屬層/非氧化金屬層是相同的晶粒)的中央部分，并且被從晶粒145的中央部分吸收到非氧化金屬層表面，然后出現(xiàn)到上層。特別地，位于非氧化金屬層下方的下層金屬層15轉(zhuǎn)變?yōu)橄聦咏饘賹?5的材料在晶粒145的中央部分沿膜厚度方向被吸收、在膜厚度方向貫通或半貫通的狀態(tài)。
在該處理之后通過IAO，富含Al的區(qū)域被氧化。另一方面，匯集到晶粒145中央部分的下層金屬層15的構(gòu)成材料的富含Cu的區(qū)域保持未被IAO處理氧化，從而形成電流通路162。
絕緣層161的膜厚度T16由第二金屬層(待氧化金屬層)的膜厚度決定。在AlCu的情況下第二金屬層的膜厚度為0.6nm到2nm，而對(duì)于Al的情況大約為0.5nm到1.7nm。通過第二金屬層氧化形成的絕緣層161的膜厚度T16優(yōu)選約為1.0nm到3.0nm，最好為1.5nm到2.5nm。
為了實(shí)現(xiàn)良好的電流通路162的結(jié)構(gòu)，這里電流通路162通過PIT/IAO形成。
然而，在IAO后通過用諸如Ar、Xe、Kr的稀有氣體的離子束或稀有氣體的離子體進(jìn)行處理可以替代PIT形成良好的電流通路162。這種處理由于是在氧化后進(jìn)行的處理，因此叫做AIT(后離子處理)。特別地，也可以通過IAO/AIT形成電流通路162。
在PIT中，Cu和Al的分離是在氧化之前實(shí)現(xiàn)的。另一方面，在AIT中，通過IAO處理將Al氧化成Al2O3后，促進(jìn)Al2O3和Cu的分離。也可以在AIT處理中通過離子束或等離子體的能量碰撞來促進(jìn)這種分離。
此外，可以在部分被氧化的電流通路162的形成部分還原氧。特別是，當(dāng)電流通路162的構(gòu)成材料是Cu時(shí)，在用IAO形成的CuOx中通過AIT還原氧可以形成金屬態(tài)的Cu。
在AIT處理中，在加速電壓為50V到200V、電流為30mA到300mA以及處理時(shí)間為30秒到180秒的條件下，在第二金屬層的表面照射含有諸如Ar、Kr、He、Ne、Xe的稀有氣體的離子束或等離子體(如RF離子體)。
在離子束的情況下，加速電壓和電流可以獨(dú)立控制。另一方面，在RF等離子體等的情況下，當(dāng)輸入的RF功率確定時(shí)，自動(dòng)確定加速電壓和電流，因此難以對(duì)加速電壓和電流進(jìn)行獨(dú)立控制。
但是，RF等離子體具有易于設(shè)備維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。因此，根據(jù)設(shè)備的狀況，可以使用離子束或RF等離子體。
在IAO/AIT處理中，IAO的優(yōu)選條件與上述情況相同。此外，膜結(jié)構(gòu)和材料與上述PIT/IAO的情況相同。
在AIT處理中，在氧化后相比于PIT有必要進(jìn)行相對(duì)更強(qiáng)能量的處理，因此被固定層14和自由層18之間的層間耦合場(chǎng)很容易變大。這是因?yàn)橛捎贏IT處理增加了分隔層16的絕緣層161表面的不平坦，這可能會(huì)增加Neel耦合(neel coupling)(桔皮耦合)(orangepeel coupling)。PIT中不存在這種問題，因此PIT是更為可取的處理。
除了取代PIT而進(jìn)行AIT的情況外，也可以在進(jìn)行PIT處理的情況進(jìn)行AIT處理。換言之，可以進(jìn)行三種處理PIT/IAO/AIT。
在這種情況下，為了允許分離IAO處理后殘留的微量吸收浮動(dòng)的氧的目的，最好用與沒有PIT的情況相比相對(duì)較弱的能量進(jìn)行AIT處理。這種情況下AIT條件的具體例子如下。即，在加速電壓為50V到100V、電流為30mA到200mA以及處理時(shí)間為10秒到120秒的條件下，在表面上照射含有如Ar、Kr、He、Ne、Xe的稀有氣體的離子束或等離子體(如RF等離子體)。
電流通路162的直徑D16按如下1)、2)確定。
1)通過截面TEM觀察，可以確定電流通路162的直徑D16。通過截面TEM觀察，可以識(shí)別出具有晶體結(jié)構(gòu)的電流通路162和氧化絕緣材料。特別地，當(dāng)氧化絕緣材料具有非晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，可以識(shí)別出電流通路162和氧化材料161。
然而，用這種方法，可以識(shí)別出直徑D16較大的電流通路162，而檢測(cè)不出直徑D16較小的電流通路162。這是因?yàn)?，如上所述，由于TEM測(cè)量圖像是實(shí)際在觀察的深度方向上具有厚度的物體的二維投影，因此小的晶粒的信息就消失了?？紤]到這個(gè)問題，對(duì)于電流通路162的直徑D16，可以識(shí)別出大約為4nm或更大的直徑。
2)利用三維原子探測(cè)器的觀察可以確定電流通路162的直徑D16。
在這種情況下，電流通路162的構(gòu)成材料和氧化絕緣材料可以被識(shí)別為成分濃度梯度。當(dāng)電流通路162由含有Cu作為主要元素的材料形成時(shí)，在膜的平面方向調(diào)查一維濃度分布，且直徑D16可以用從Cu濃度最大點(diǎn)的濃度的半值寬度來定義。
(5)上層金屬層17、自由層18的形成(步驟S15)在分隔層16上沉積，例如，Cu作為上層金屬層17。該上層金屬層17由于發(fā)揮出充當(dāng)種子層用于促進(jìn)將要沉積于其上的自由層18的晶向的功能因而顯得很重要。此外，它也發(fā)揮出充當(dāng)阻擋層以防止由氧化材料形成的絕緣層161的氧(或氮)直接接觸自由層18的功能。
只考慮這些功能，上層金屬層17變厚是有好處的，但是隨著它變厚擴(kuò)散電流的影響就會(huì)增加。在CCP-CPP元件中，通過分隔層16內(nèi)限制的電流流入被固定層14或自由層18，提高了MR率。然而，當(dāng)電流在上層金屬層17內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，通過CCP提升MR率的優(yōu)點(diǎn)就喪失了。
因此，由于上層金屬層17的膜厚度是一種平衡關(guān)系，因此存在最適宜的膜厚度。具體說來，該厚度優(yōu)選是0.2nm到1.5nm，最好為0.3nm到1.0nm。
在上層金屬層17上，形成自由層18，例如，Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]。
為了獲得高M(jìn)R率，對(duì)位于與分隔層16的界面上的自由層18的磁性材料的選擇是很重要的。在這種情況下，在與分隔層16的界面上，最好用CoFe合金而不是NiFe合金。在CoFe合金中，可以使用具有特別穩(wěn)定軟磁性的Co90Fe10[1nm]。也可以使用不同成分的CoFe合金。
當(dāng)使用接近Co90Fe10的CoFe合金時(shí)，其膜厚度最好是0.5nm到4nm。當(dāng)使用不同成分的CoFe合金(如，Co50Fe50)時(shí)，其膜厚度最好是0.5nm到2nm。當(dāng)使用例如Fe50Co50(或FexCo100-x(x＝45到85))作為自由層18為了提高自旋相依界面散射效應(yīng)時(shí)，使用如被固定層14那樣厚的膜厚度來保持作為自由層18的軟磁特性是很難的。因此，0.5nm到1nm是適當(dāng)?shù)哪ず穸确秶?。?dāng)使用不含Co的Fe時(shí)，由于它具有相對(duì)較好的軟磁特性，所以其適宜的膜厚度可以約為0.5nm到4nm。
將要被置于CoFe層之上的NiFe層是由具有穩(wěn)定軟磁特性的材料構(gòu)成。CoFe合金的軟磁特性不太穩(wěn)定，但是可以通過在其上設(shè)置NiFe合金來彌補(bǔ)軟磁特性。利用NiFe作為自由層18允許使用能夠在與分隔層16的界面上實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R率的材料，從而對(duì)自旋閥膜的整體特性來說是更為適宜的。
NiFe合金的成分最好是NixFe100-x(x＝大約75％到90％)。這里，最好使用富含Ni的成分(例如Ni83Fe17)而不是通常使用的NiFe的成分Ni81Fe19。這是為了實(shí)現(xiàn)零磁致伸縮(zero magnetostriction)。在沉積于CCP結(jié)構(gòu)的分隔層16上的NiFe中，磁彈性比在沉積于金屬Cu制成的分隔層上的NiFe中更加偏移到了正側(cè)。為了消除向正側(cè)的磁彈性的偏移，在負(fù)側(cè)使用具有比通常情況更多Ni成分的NiFe成分。
NiFe層的整體膜厚度最好約為2nm到5nm(例如，3.5nm)。當(dāng)不使用NiFe層時(shí)，可以使用由交替層疊1nm到2nm的多層CoFe層或Fe層或約為0.1nm到0.8nm的多層超薄Cu層構(gòu)成的自由層18。
晶體生長(zhǎng)處理是在自由層18上進(jìn)行的。該晶體生長(zhǎng)處理是一種能量處理，通過這種處理促進(jìn)電流通路162上的自由層18的晶粒185的形成。
作為晶體生長(zhǎng)處理，可以使用用離子或等離子體的處理和熱處理，但是前者更好。這是因?yàn)樵谇罢咧锌梢詫?duì)處理范圍進(jìn)行控制。
特別是，在利用離子束或等離子體進(jìn)行的處理中，可以通過選擇處理?xiàng)l件只對(duì)膜表面進(jìn)行處理而不處理其下層。另一方面，在熱處理中，很難控制處理范圍。通過熱處理，會(huì)在分隔層16下方的層疊膜的界面上出現(xiàn)擴(kuò)散或之類的情況，這會(huì)使自旋閥膜的特性惡化。
利用離子或等離子體進(jìn)行處理的實(shí)例不僅包括沉積之后進(jìn)行能量處理的方法還包括在諸如利用偏壓濺射的沉積、在沉積過程中離子束或等離子體的照射等的沉積處理的同時(shí)進(jìn)行能量處理的方法。
作為分別進(jìn)行沉積和能量處理的方法，可以進(jìn)行如下步驟(1)到(4)。
(1)自由層的部分(或全部)的沉積(2)能量處理(離子束、RF等離子體、熱處理)(3)自由層的部分(或其余的全部)的沉積(4)能量處理(離子束、RF等離子體、熱處理)這里，當(dāng)整個(gè)自由層18在處理(1)、(2)中形成時(shí)，則處理(3)、(4)可以省略。也可以執(zhí)行處理(1)、(2)、(3)而省略處理(4)。
另一方面，作為同時(shí)進(jìn)行沉積和能量處理的方法，有在在沉積處理的同時(shí)應(yīng)用離子束、RF等離子體或DC偏壓或加熱基板的方法。
如上所述，這種晶體生長(zhǎng)處理可以與自由層18的沉積分開處理也可以與沉積同時(shí)處理。
通過用離子、等離子體、或加熱的方法對(duì)自由層18的構(gòu)成材料進(jìn)行處理，自由層18的晶粒185在電流通路162上生長(zhǎng)。
例如，在CoFe沉積了1nm后，NiFe沉積了2.5nm，作為晶體生長(zhǎng)處理，進(jìn)行60秒到120秒30W到150W的RF等離子體處理。之后，NiFe沉積了2nm，作為晶體生長(zhǎng)處理，進(jìn)行60秒到120秒30W到150W的RF等離子體處理。
自由層18的晶粒185的直徑D18用晶體生長(zhǎng)處理的條件來控制。例如，在晶體生長(zhǎng)處理采用相對(duì)較強(qiáng)的能量時(shí)，可以使自由層18的晶粒直徑大一些，而當(dāng)晶體生長(zhǎng)處理較弱時(shí)，自由層18的晶粒直徑就變得較小。
然而，當(dāng)晶體生長(zhǎng)處理太弱或太強(qiáng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題，因此必須注意它的條件。首先，如果處理太弱，則自由層18的結(jié)晶性就傾向于很差。電流通路162正上方的晶粒185的結(jié)晶性相對(duì)較好，但是不在電流通路162正上方的自由層18的晶粒185的結(jié)晶性就傾向于很差。尤其是，當(dāng)絕緣層161的構(gòu)成材料是非結(jié)晶體時(shí)，其結(jié)晶性的惡化就更明顯了。因此，為了獲得良好的自由層18，晶體生長(zhǎng)處理是很必要的。
另一方面，當(dāng)這種處理太強(qiáng)時(shí)，自由層18的表面就會(huì)變得粗糙。最壞的情況下，絕緣層161的氧化狀態(tài)甚至?xí)獾狡茐摹?br> 這里，強(qiáng)的條件在離子束或RF等離子體的情況下意味著大的加速電壓或大的離子電流，在熱處理的情況下意味著高的溫度。在偏壓濺射等的情況下，可能是大的RF功率、大的DC偏壓、大的離子束加速電壓、大的電流量等。
(6)覆蓋層19和上電極20的形成(步驟S16)在自由層18上，例如層疊Cu[1nm]/Ru[10nm]作為覆蓋層19。在覆蓋層19上，形成用于將電流垂直傳導(dǎo)到自旋閥膜的上電極20。
(7)退火處理(步驟S17)在步驟S11到S16中形成的磁阻效應(yīng)膜10在磁場(chǎng)中進(jìn)行退火，從而固定被固定層14的磁化方向。
(實(shí)例1)在下文中將介紹本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例。根據(jù)本發(fā)明實(shí)例的磁阻效應(yīng)膜10的結(jié)構(gòu)如下所示。
-下電極11-基層12Ta[5nm]/Ru[2nm]-固定層13PtMn[15nm]-被固定層14CoFe[3.4nm]/Ru
/(FeCo[1nm]/Cu
)*2/FeCo[1nm]-下層金屬層15Cu
(最終形成的膜厚度，不是沉積時(shí)的膜厚度)-分隔層16(CCP-NOL)-上層金屬層17Cu
(最終形成的膜厚度，不是沉積時(shí)的膜厚度)-自由層18CoFe[1nm]/NiFe[3.5nm]-覆蓋層19Cu
/Ru[5nm]在這個(gè)實(shí)例中，與圖5到圖7的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，RA是300mΩμm2且MR率是9％。在圖5到圖7中，形成CCP-NOL的絕緣層161的膜厚度是1.8nm。
被固定層14中的晶粒145具有大約13nm到16nm的粒徑D14，且電流通路162被配置在晶粒145的中央部分的正上方。此外，自由層18的晶粒185具有大約4nm到7nm的粒徑D18，且電流通路162被配置在晶粒185的中央部分的正下方。
特別是，電流通路162的正上方不存在自由層18的晶粒邊界186。這一事實(shí)不僅保持良好的MR率，而且對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)定性也是很重要的。
在電流通路162的正上方以外的自由層18中也形成晶粒185，并且其粒徑D18是3nm到5nm。由于自由層18是由如此小的晶粒185構(gòu)成，所以自由層18的軟磁性是非常好的。此外，它不會(huì)導(dǎo)致MR率的下降，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)了良好的MR率和軟磁性。
此外，在此處作為CCP-NOL的分隔層16中，絕緣層161是Al2O3，且電流通路162含有Cu作為其主要成分。電流通路162的直徑D16為2nm到5nm。通過三維原子探測(cè)器的觀察，在具有5nm直徑D16的電流通路162部分Cu的濃度為60原子％到70原子％。另一方面，在富含氧的絕緣層161部分Cu的濃度約為10原子％。因此，Cu的完全分離是在電流通路162和其它部分中確認(rèn)的。
Al2O3的絕緣層161部分不僅僅由Al和O形成，同時(shí)也有大約一些達(dá)到10％的Cu、Ni、Co、Fe作為雜質(zhì)混合其中。然而，分隔層16部分的擊穿電壓至少為200到幾十mV或更大，比實(shí)際用作操作電壓的約80mV到120mV的電壓大，具有足夠的耐受電壓。
下層金屬層15和上層金屬層17都是由Cu形成的，并且都極薄，分別為0.2nm和0.4nm。因此，如果使用三維原子探測(cè)器，則根據(jù)對(duì)其的定義方法這些原子成分變得有所不同。當(dāng)測(cè)量對(duì)象(下層金屬層15和上層金屬層17)的體積區(qū)域在膜厚度方向做得很深時(shí)，測(cè)量對(duì)象中Cu的濃度就變得相當(dāng)?shù)?。與測(cè)量對(duì)象的體積區(qū)域在平面方向比較寬的情況相比其原子成分明顯不同。
0.2nm的膜厚度對(duì)應(yīng)1到2層原子層，而0.4nm的膜厚度對(duì)應(yīng)3到4層原子層。因此，膜厚度可以通過在電流通路162和絕緣層161上方和下方位置處檢測(cè)到的Cu的原子層來定義。例如，當(dāng)檢測(cè)到一到二層原子層時(shí)，則膜厚度被定義為0.2nm，而當(dāng)檢測(cè)到3到4層原子層時(shí)，膜厚度被定義為0.4nm。
在圖8到圖10所對(duì)應(yīng)的實(shí)例中，阻抗的設(shè)置比圖5到圖7中的結(jié)構(gòu)要高，而電流通路162比圖5到圖7中的結(jié)構(gòu)減少了。在這個(gè)實(shí)例中，面積阻抗RA是600mΩμm2且MR率為9.5％。由于電流通路162所占的面積的減小或者其數(shù)量的減少，面積阻抗RA變高。
為了減少電流通路162所占的面積，氧化前AlCu的膜厚度要做得厚。氧化后絕緣材料的膜厚度T16是2.1nm。同樣在RA從300mΩμm2增加到600mΩμm2的情況中，電流通路162形成于自由層18的晶粒185的正下方。此外，電流通路162形成于被固定層14的晶粒145的正上方。
然而，與圖5到圖7相比，在圖8到圖10中，在電流通路162的形成過程中存在垂直膜厚度方向的貫通不完全，這減少了電流通路162在分隔層16的二維平面中的占有率。這種在形成過程中的電流通路162可能導(dǎo)致長(zhǎng)期穩(wěn)定性的變動(dòng)。
這種沒能貫通的電流通路162可能具有很小的面積，因此它們完整地形成是比較好的。因此，在制造元件后，有必要進(jìn)行為了使不完整的金屬通路貫通的初始化處理。特別地，以幾u(yù)秒到幾秒為單位使用大約大于等于140mV和小于等于300mV的脈沖形式的電壓。也可以以幾分鐘為單位使用大約大于等于140mV和小于等于300mV的DC電壓。
通過電流通路的初始化處理，可以使得沒有貫通的電流通路162貫通，與處理前相比，處理后的面積阻抗RA略微下降。雖然取決于條件，但是也可以通過電流通路的初始化處理將面積阻抗RA從600mΩμm2改變到400mΩμm2。這個(gè)電壓范圍最好為大于等于140mV小于等于300mV。當(dāng)不完全電流通路162消除時(shí)，電流通路162的直徑D16反映出了面積阻抗RA。在這種狀態(tài)下，伴隨著電流通路162的直徑D16的降低電流密度的增加不會(huì)過多地影響穩(wěn)定性。
上述面積阻抗RA為300mΩμm2且MR率為9％的元件要經(jīng)過導(dǎo)電試驗(yàn)。在CCP中，由于局部的電流密度變成了108A/cm2或更大的值，所以局部發(fā)熱就很大，并且由電子造成的物理侵蝕(physical attack)的影響也變大。因此，為了使得CCP具有良好的穩(wěn)定性，有必要控制其微結(jié)構(gòu)。在如圖2所示的微結(jié)構(gòu)中，具有良好結(jié)晶性的晶粒被配置于CCP的上下方。因此，在晶粒邊界的擴(kuò)散電子散射的影響變得較小，從而有可能獲得良好的穩(wěn)定性。
導(dǎo)電試驗(yàn)的條件是130℃的溫度和140mV的偏壓。這個(gè)溫度比實(shí)際使用的值要大，并且是用于加速的條件。通過采用比通常使用的條件更為苛刻的條件，穩(wěn)定性的差異在短時(shí)間的試驗(yàn)中就暴露出來了。此外，電流傳導(dǎo)方向設(shè)置為從被固定層14流向自由層18。特別地，電子的流向是相反的，因此它們是從自由層18流向被固定層14。這種電流傳導(dǎo)的方向是減少自旋遷移噪聲(spin transfer noise)的理想方向。電流從自由層18流向被固定層14(電子是從被固定層14流向自由層18)的情況具有更大的自旋傳遞力矩(spin transfertorque)，這會(huì)在磁頭處產(chǎn)生噪聲。同樣考慮到這一點(diǎn)，電流傳導(dǎo)方向最好是從被固定層14到自由層18，而電子的流向是從自由層18到被固定層14。
作為此處的試驗(yàn)條件，由于是加速試驗(yàn)，除了使溫度比通常條件更高以外，在元件尺寸上也設(shè)置了苛刻的條件。在這個(gè)實(shí)例中，元件尺寸做得比實(shí)際磁頭的元件尺寸更大(在實(shí)際應(yīng)用中，比0.1um×0.1um小的元件尺寸)。
當(dāng)元件尺寸更大而偏壓處于相同條件下時(shí)，輸入的電流量變大，焦耳熱的影響變大。即，在與實(shí)際小尺寸元件的情況相比熱量大的地方是非?？量痰谋容^。此外，當(dāng)元件尺寸很大時(shí)，熱量產(chǎn)生部分變得很大，這會(huì)使元件的散熱性變壞。另一方面，在小元件的情況下，在其周圍存在熱泄露，因此熱量可以被容易釋放的環(huán)境中。
由于這兩個(gè)原因，該實(shí)例的元件用具有比在實(shí)際磁頭中的元件熱影響更大的苛刻條件進(jìn)行試驗(yàn)。與上述溫度效果比較，元件尺寸較大的試驗(yàn)條件使得試驗(yàn)條件更苛刻。也就是說，這些加速試驗(yàn)條件是為了在短時(shí)間內(nèi)判斷出穩(wěn)定性好壞而設(shè)置的。
在本實(shí)施例中，已確認(rèn)在電流傳導(dǎo)試驗(yàn)中穩(wěn)定性非常好。具體是，在60小時(shí)后獲得的惡化量為小于等于10％的非常好的值。這個(gè)穩(wěn)定性可以確保在實(shí)際操作環(huán)境下長(zhǎng)期使用。
另一方面，不具有本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)顯示出40％到60％的惡化量。特別地，這是自由層18的晶粒邊界186存在于電流通路162正上方的情況。
本例中在苛刻條件下元件穩(wěn)定性良好的事實(shí)意味著本實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件可以在對(duì)穩(wěn)定性要求很高的環(huán)境下使用。在高記錄密度對(duì)應(yīng)的磁頭中，可以實(shí)現(xiàn)具有比傳統(tǒng)的更高穩(wěn)定性的磁頭。高密度記錄對(duì)應(yīng)的磁頭可以在需要嚴(yán)格穩(wěn)定性規(guī)范的使用條件下使用，例如，在應(yīng)用于高溫環(huán)境下的汽車導(dǎo)航應(yīng)用、高速使用的服務(wù)器、商業(yè)應(yīng)用等的HDD中。當(dāng)然，它可以用于通常的HDD應(yīng)用，諸如通常的個(gè)人電腦應(yīng)用或家庭視頻應(yīng)用、汽車音樂播放器、汽車運(yùn)動(dòng)圖像播放器、汽車視頻等。
此外，在這個(gè)試驗(yàn)中，電流傳導(dǎo)方向是電流從被固定層14流向自由層18的方向，并且這個(gè)電流傳導(dǎo)方向在提高穩(wěn)定性方面比其反向電流傳導(dǎo)方向具有更大的效果。該電流傳導(dǎo)方向也有利于減少自旋遷移噪聲，這意味著可以實(shí)現(xiàn)低噪聲高穩(wěn)定性的磁頭。
(磁阻效應(yīng)元件的應(yīng)用)下文將說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件(CCP-CPP元件)的應(yīng)用。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，考慮高密度的情況下CPP元件的元件阻抗RA優(yōu)選為500mΩμm2或更低，最好為300mΩμm2或更低。當(dāng)計(jì)算元件阻抗RA時(shí)，CPP元件的阻抗R乘以自旋閥膜的電流傳導(dǎo)部分的有效面積A。這里，元件阻抗R可以直接測(cè)量。另一方面，自旋閥膜的電流傳導(dǎo)部分的有效面積A是依賴于元件結(jié)構(gòu)的值，因此應(yīng)該謹(jǐn)慎確定。
例如，當(dāng)整個(gè)自旋閥膜設(shè)計(jì)為進(jìn)行實(shí)際感應(yīng)的區(qū)域時(shí)，則整個(gè)自旋閥膜的面積就變成了有效面積A。在這種情況下，為了適當(dāng)設(shè)置元件阻抗，自旋閥膜的面積設(shè)置為至少0.04μm2以下，或者用于200Gbpsi以上的記錄密度時(shí)設(shè)置為0.02μm2以下。
然而，當(dāng)與自旋閥膜接觸并且比自旋閥膜小的下電極11或上電極20形成時(shí)，則下電極11或上電極20的面積是自旋閥膜的有效面積A。當(dāng)下電極11和上電極20的面積不同時(shí)，較小電極的面積是自旋閥膜的有效面積A。在這種情況下，考慮到適當(dāng)設(shè)置有效元件，將較小電極的面積設(shè)置為至少0.04μm2或更小。
在后面將要詳細(xì)說明的圖16和圖17的實(shí)例的情況下，圖16中的自旋閥膜的最小面積是與上電極20接觸的部分，因此其寬度被視為軌跡寬度Tw。此外，關(guān)于高度方向，與上電極20接觸的部分也是圖17中最小的，因此其寬度被視為高度D。自旋閥膜的有效面積A被視為A＝Tw×D。
在本發(fā)明實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件中，電極之間的阻抗R可以是100Ω或更小。這個(gè)阻抗R是例如附接在磁頭懸架組件(HGA)末端的再現(xiàn)磁頭的兩個(gè)電極極板(electrode pad)間測(cè)量到的阻抗值。
在本發(fā)明實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件中，當(dāng)被固定層14或自由層18具有fcc結(jié)構(gòu)時(shí)，其最好在垂直于膜表面具有fcc晶向。當(dāng)被固定層14或自由層18具有bcc結(jié)構(gòu)時(shí)，其最好在垂直于膜表面具有hcp(001)晶向或hcp(110)晶向。
本發(fā)明實(shí)施例所述的磁阻效應(yīng)元件的晶向特性具有的散射角優(yōu)選為4.0度或更小，最好是3.5度或更小，進(jìn)一步更好是3.0度或更小。這是通過用X射線衍射的θ-2θ測(cè)量在峰值部分得到的搖擺曲線的半值寬度獲得的。同樣，也可以檢測(cè)作為來自元件截面的納米衍射斑上的斑點(diǎn)的散射角。
雖然取決于反鐵磁性膜的物質(zhì)，但是通常反鐵磁性膜和被固定層14/分隔層16/自由層18在晶格間隔方面是不同的，因此，可以在各層分別算出晶向的散射角。例如，晶格間隔通常在鉑-錳(PtMn)和被固定層14/分隔層16/自由層18之間是不同的。由于鉑-錳是相對(duì)較厚的膜，所以是適于在晶向上測(cè)量參差不齊的物質(zhì)。關(guān)于被固定層14/分隔層16/自由層18，被固定層14和自由層18在晶向上可能不同，它們是bcc結(jié)構(gòu)和fcc結(jié)構(gòu)。在這種情況下，被固定層14和自由層18各自具有不同的晶向散射角。
(磁頭)圖16和圖17示出了本發(fā)明實(shí)施例所述的磁阻效應(yīng)元件被結(jié)合在磁頭中的狀態(tài)。圖16是沿基本平行于與磁性記錄媒介(未示出)相對(duì)的媒介相對(duì)面的方向切割磁阻效應(yīng)元件的剖面視圖。圖17是沿垂直于媒介相對(duì)面ABS的方向切割磁阻效應(yīng)元件的剖面視圖。
圖16和圖17中所示的磁頭具有所謂的硬貼合結(jié)構(gòu)(hard abutted structure)。磁阻效應(yīng)膜10是上述CCP-CPP膜。在磁阻效應(yīng)膜10的上下分別設(shè)置有下電極11和上電極20。在圖16中，在磁阻效應(yīng)膜10的各側(cè)面上層疊設(shè)置有偏置磁場(chǎng)應(yīng)用膜41(bias magnetic fieldapplication film)和絕緣膜41。如圖17所示，覆蓋層43設(shè)置在磁阻效應(yīng)膜10的媒介相對(duì)面上。
磁阻效應(yīng)膜10的感應(yīng)電流在基本垂直于膜表面的方向上傳導(dǎo)，如位于其上下的下電極11和上電極20中的箭頭A所示。此外，用一對(duì)偏置磁場(chǎng)應(yīng)用膜41，偏置磁場(chǎng)可以應(yīng)用到磁阻效應(yīng)膜10上。通過這個(gè)偏置磁場(chǎng)，磁阻效應(yīng)膜10的自由層18的磁性各向異性被控制為單各向異性(single anisotropy)以穩(wěn)定其磁結(jié)構(gòu)(magnetic struction)，從而抑制伴隨磁壁移動(dòng)帶來的巴克豪森噪聲。
提高了磁阻效應(yīng)膜10中的信噪比，使得當(dāng)其應(yīng)用于磁頭時(shí)，高敏感度磁再現(xiàn)成為了可能。
(硬盤和磁頭懸架組件)圖16和圖17中所示的磁頭可以被結(jié)合到記錄和復(fù)制集成型磁頭組件中并且裝配在磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備中。
圖18是闡示這種磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)的主要部分立體視圖。特別地，本實(shí)施例的磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備150是使用旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器型的設(shè)備。在本圖中，磁盤200附接在錠子152上并沿箭頭A的方向由未示出的響應(yīng)來自未示出的驅(qū)動(dòng)裝置控制單元的控制信號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。本實(shí)施例的磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備150可以具有多個(gè)磁盤200。
對(duì)將要存儲(chǔ)到磁盤200中的信息進(jìn)行記錄/再現(xiàn)的磁頭浮動(dòng)塊153呈薄膜狀附接在懸架末端。磁頭浮動(dòng)塊153裝配在含有上述任意一個(gè)實(shí)施例所述的磁頭的末端附近。
當(dāng)磁盤200旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁頭浮動(dòng)塊153的媒介相對(duì)面(medium opposing face)(ABS)保持從磁盤200表面預(yù)定的浮動(dòng)量。也可以是所謂的“接觸運(yùn)行型”，其中浮動(dòng)塊與磁盤200接觸。
懸架154與致動(dòng)臂155的一端連接。在致動(dòng)臂155的另一端，設(shè)置有作為一種線性發(fā)動(dòng)機(jī)的音圈發(fā)動(dòng)機(jī)156。音圈發(fā)動(dòng)機(jī)156由繞在線軸部分上的未示出的激勵(lì)線圈和磁電路構(gòu)成，該磁電路由配制成彼此相對(duì)以使線圈夾在中間的永久磁鐵和反向磁軛(counter yoke)構(gòu)成。
致動(dòng)臂155由設(shè)置在錠子157上下兩個(gè)位置上的未示出的滾珠支撐，并且能夠利用音圈發(fā)動(dòng)機(jī)156自由地旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)。
圖19是表示從磁盤側(cè)觀看磁頭懸架組件從致動(dòng)臂155到其末端的放大立體圖。特別地，組件160具有致動(dòng)臂155，而在致動(dòng)臂155的一端連接有懸架154。在懸架154的末端，附接著具有包含上述實(shí)施例中任意一個(gè)所述的磁阻效應(yīng)元件的磁頭的磁頭浮動(dòng)塊153。懸架154具有用于讀寫信號(hào)的引線164，而這些引線164與結(jié)合到磁頭浮動(dòng)塊153中的磁頭的各電極電連接。圖中的參考標(biāo)號(hào)165表示組件160的電極極板。
根據(jù)本實(shí)施例，用含有上述磁阻效應(yīng)元件的磁頭，可以安全地讀取以高記錄密度磁性記錄在磁盤200中的信息。
(磁存儲(chǔ)器)接著將要介紹裝配有本發(fā)明實(shí)施例所述的磁阻效應(yīng)元件的磁存儲(chǔ)器。具體地，利用本發(fā)明實(shí)施例所述的磁阻效應(yīng)元件，可以實(shí)現(xiàn)諸如其中存儲(chǔ)單元以矩陣形式配置的磁性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM)的磁存儲(chǔ)器。
圖20是表示本發(fā)明實(shí)施例所述的磁存儲(chǔ)器的矩陣結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意圖。本圖示出了存儲(chǔ)單元以陣列形狀配置的情況的電路結(jié)構(gòu)。為了選擇陣列中的一位，設(shè)置了列解碼器350和行解碼器351，其中通過位線334和字線332使唯一地被選擇的開關(guān)晶體管330接通，并且通過讀出放大器352的檢測(cè)，可以讀取記錄在磁阻效應(yīng)膜10上的磁性記錄層(自由層18)的位信息。當(dāng)寫位信息時(shí)，寫電流傳遞到某一特定的寫字線323和位線322以應(yīng)用產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
圖21是示出本發(fā)明實(shí)施例所述的磁存儲(chǔ)器的矩陣結(jié)構(gòu)的另一實(shí)例的示意圖。在這種情況中，通過解碼器360、361分別選擇以矩陣形式配置的位線322和字線334從而在陣列中選擇特定存儲(chǔ)單元。各存儲(chǔ)單元具有使磁阻效應(yīng)元件10和二極管D串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。這里，二極管D具有防止除了被選擇的磁阻效應(yīng)元件10以外的存儲(chǔ)單元中的感應(yīng)電流繞行的功能。寫操作是由通過分別向特定位線322和寫字線323傳遞寫電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來進(jìn)行的。
這里是通過電流磁場(chǎng)進(jìn)行切換(switching)的結(jié)構(gòu)，但是也可以是用自旋傳遞力矩的切換方法。在這種情況下，可以通過改變流向磁阻效應(yīng)元件的電流方向進(jìn)行切換。這種情況下，讀取存儲(chǔ)單元時(shí)流過的電流較小，而切換存儲(chǔ)單元時(shí)流過的電流較大。
圖22是表示本發(fā)明實(shí)施例所述的磁存儲(chǔ)器的主要部分的剖面視圖。圖23是沿圖22中A-A′線得到的剖面視圖。在這些圖中示出的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于包含在圖20或圖21中所示的磁存儲(chǔ)器中的一位存儲(chǔ)單元。該存儲(chǔ)單元具有存儲(chǔ)元件部分311和地址選擇晶體管部分312。
存儲(chǔ)元件部分311具有磁阻效應(yīng)元件10和連接在其上的一對(duì)配線322、324。磁阻效應(yīng)元件10是根據(jù)上述實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件(CCP-CPP元件)。
另一方面，地址選擇晶體管部分312配備有通過通路(vias)326和埋入的線328連接的晶體管330。該晶體管330根據(jù)應(yīng)用于門332的電壓進(jìn)行切換操作，并且控制磁阻效應(yīng)元件10和配線334的電流通路的打開/閉合。
此外，在磁阻效應(yīng)元件10的下方，沿垂直于配線322的方向設(shè)置有寫配線323。這些寫配線322、323可以由，例如，鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(Wu)、鉈(Ta)或含有它們?nèi)我庖粋€(gè)的合金形成。
在具有這種結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元中，當(dāng)在磁阻效應(yīng)元件10中寫位信息時(shí)，寫脈沖電流流向配線322、323，并且通過使用從這些電流感應(yīng)出的磁場(chǎng)，磁阻效應(yīng)元件的記錄層的磁化被適當(dāng)?shù)胤崔D(zhuǎn)。
此外，當(dāng)讀取位信息時(shí)，感應(yīng)電流流過配線322和含有記錄層的磁阻效應(yīng)元件10以及下電極324，并且磁阻效應(yīng)元件10的阻抗值或阻抗值的變化被測(cè)定。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器能夠安全地控制記錄層的磁疇以確保安全的寫操作，還能夠通過使用上述實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件(CCP-CPP元件)進(jìn)行安全的讀操作，即使當(dāng)單元尺寸很小也同樣可以保證。
在MRAM應(yīng)用中，可以執(zhí)行如下例子。
Ta[5nm]/Ru[2nm]/PtMn[15nm]/CoFe[3.5nm]/Ru
/CoFe[3.5nm]/MgO[1.5nm]/CoFe[1nm]/NiFe[1nm]/Al2O3-NiFe的CCP結(jié)構(gòu)/NiFe[1nm]/晶體生長(zhǎng)處理/NiFe[1nm]在MRAM應(yīng)用中，也提出通過隧道元件實(shí)現(xiàn)磁阻效應(yīng)并且為了改善MRAM的切換方法而使用CCP結(jié)構(gòu)(H.Meng和J-P.Wang，IEEE Trans Magn.41(10)，2612(2005))。在這種情況下，自由層18內(nèi)有必要設(shè)計(jì)CCP結(jié)構(gòu)，這使形成于CCP之上的自由層18的殘留層的結(jié)晶性惡化，因而導(dǎo)致了切換參差不齊等問題。
為了實(shí)現(xiàn)插入在自由層18中的CCP結(jié)構(gòu)，最好進(jìn)行上述PIT/IAO或IAO/AIT處理，并且在形成電流通路162后對(duì)沉積的磁性層進(jìn)行晶體生長(zhǎng)處理。在這種情況下，形成電流通路162的材料包括磁性物質(zhì)，使得下層金屬層15或上層金屬層17就不是特別需要了，并且可以照樣使用形成自由層18的材料。
(其他實(shí)施例)本發(fā)明的實(shí)施例并不局限于上述實(shí)施例并且可以進(jìn)行擴(kuò)展或改變，且經(jīng)過擴(kuò)展或改變的實(shí)施例包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
關(guān)于磁阻效應(yīng)膜的具體結(jié)構(gòu)，以及電極、偏壓應(yīng)用膜、絕緣膜等的形狀和材料，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以從已知的范圍中作適當(dāng)選擇從而以同樣的方法實(shí)施本發(fā)明并且獲得同樣的效果。
例如，當(dāng)磁阻效應(yīng)元件應(yīng)用于再現(xiàn)磁頭時(shí)，可以在元件的頂部和底部增加磁屏蔽以規(guī)定磁頭的檢測(cè)方法。
同樣，本發(fā)明的實(shí)施例不僅可以用于縱向的磁性記錄方式還可以應(yīng)用到垂直的磁性記錄方式的磁頭或磁再現(xiàn)設(shè)備。
此外，本發(fā)明的磁再現(xiàn)設(shè)備可以是所謂的永久具有特定記錄媒介的固定型，或者是能夠更換記錄媒介的“可拆卸型”。
除此以外，可以在上述本發(fā)明實(shí)施例中所述的磁頭和磁記錄/再現(xiàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上由本領(lǐng)域技術(shù)人員做適當(dāng)改變實(shí)施的所有磁阻效應(yīng)元件、磁頭、磁存儲(chǔ)/再現(xiàn)設(shè)備以及磁存儲(chǔ)器，同樣屬于本發(fā)明的范疇。
其他優(yōu)點(diǎn)和修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是很容易想到的。因此，本發(fā)明在其較寬的方面并不限于本文給出和說明的具體細(xì)節(jié)和代表性的各實(shí)施例。因而，可以在不背離如所附的權(quán)利要求及其等同范圍所限定的總體發(fā)明構(gòu)思的實(shí)質(zhì)或范圍的情況下進(jìn)行種種修改。
權(quán)利要求
1.一種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，包括磁化固定層，其含有第一晶粒，并具有基本固定在一個(gè)方向上的磁化方向；分隔層，其配置在所述磁化固定層上，并具有絕緣層和貫通該絕緣層的金屬導(dǎo)體；以及磁化自由層，其含有第二晶粒，并與所述金屬導(dǎo)體相對(duì)地配置在所述分隔層上，并且具有對(duì)應(yīng)外部磁場(chǎng)而改變的磁化方向。
2.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述金屬導(dǎo)體和所述第一晶粒豎直地相互對(duì)應(yīng)配置。
3.如權(quán)利要求2所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，當(dāng)所述第二晶粒的直徑用從0到100的相對(duì)值表示時(shí)，至少部分所述金屬導(dǎo)體形成于30到70范圍內(nèi)的正下方。
4.如權(quán)利要求2所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述第一晶粒、金屬導(dǎo)體和第二晶粒豎直地相互對(duì)應(yīng)配置。
5.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述第二晶粒比所述第一晶粒小。
6.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述第二晶粒的粒徑大于等于3nm且小于等于10nm。
7.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述第一晶粒的粒徑大于等于5nm且小于等于20nm。
8.如權(quán)利要求7所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述第二晶粒的粒徑大于等于3nm且小于等于10nm。
9.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，進(jìn)一步包括位于所述磁化自由層和所述分隔層之間的第一金屬層，所述第一金屬層具有與所述金屬導(dǎo)體共同的第一成分。
10.如權(quán)利要求9所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述第一成分具有銅、金和銀中的至少一種。
11.如權(quán)利要求10所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述第一金屬層的膜厚度大于等于0.2nm小于且等于1.5nm。
12.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，進(jìn)一步包括配置在所述磁化固定層和所述分隔層之間的第二金屬層，所述第二金屬層具有與所述金屬導(dǎo)體共同的第二成分。
13.如權(quán)利要求12所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述第二成分具有銅、金和銀中的至少一種。
14.如權(quán)利要求12所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述第二金屬層的膜厚度大于等于0.1nm且小于等于1.0nm。
15.如權(quán)利要求12所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述第一金屬層比所述第二金屬層厚。
16.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述磁化固定層包括具有體心立方結(jié)構(gòu)的離子-鈷層或具有面心立方結(jié)構(gòu)的鈷-離子層，并且所述磁化自由層包含鈷-離子合金層。
17.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述磁化固定層或所述磁化自由層中的至少一個(gè)具有垂直于其膜表面的面心立方(111)晶向、體心立方(110)晶向、密排六方(001)晶向以及密排六方(110)晶向中的至少一種晶體結(jié)構(gòu)，并且具有小于等于4.0度的晶向散射角。
18.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述金屬導(dǎo)體具有大于等于2nm且小于等于6nm的直徑。
19.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述金屬導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)，所述絕緣層具有非晶體結(jié)構(gòu)。
20.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，所述絕緣層具有氧化物、氮化物或氧氮化物，所述氧化物、氮化物或氧氮化物含有從由鋁、硅、鉿、鈦、鉭、鉬、鎢、鈮、鎂、鉻以及鋯構(gòu)成的群中選擇的至少一種元素。
21.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，進(jìn)一步包括使電流從所述磁化固定層流向所述磁化自由層的一對(duì)電極。
22.一種磁頭，其特征在于，該磁頭包括如權(quán)利要求21所述的磁阻效應(yīng)元件。
23.一種磁盤設(shè)備，其特征在于，該磁盤設(shè)備包括如權(quán)利要求22所述的磁頭。
全文摘要
磁阻效應(yīng)元件包括磁化固定層、分隔層和磁化自由層，該磁化固定層含有第一晶粒，并具有基本固定在一個(gè)方向上的磁化方向；該分隔層配置在磁化固定層上并且含有絕緣層和貫通絕緣層的金屬導(dǎo)體；該磁化自由層含有第二晶粒，并配置在分隔層上與金屬導(dǎo)體相對(duì)，并且具有對(duì)應(yīng)外部磁場(chǎng)改變的磁化方向。
文檔編號(hào)H01F10/32GK101047229SQ200710089699
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月27日
發(fā)明者福澤英明, 黑崎義成, 湯淺裕美, 藤慶彥, 巖崎仁志 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝