專利名稱：磁阻效應(yīng)元件和其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在磁阻效應(yīng)膜的膜面的垂直方向流過讀出電流并檢測磁性的磁阻效應(yīng)元 件及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，HDD (Hard Disk Drive)等的磁記錄裝置被用于個(gè)人電腦、便攜型音樂4見頻播 放器、攝像機(jī))、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)等的用途。伴隨著HDD用途的增加，人們越來越希望其 記錄容量增大。為了在不增加HDD體積的情況下提高記錄容量，需要進(jìn)一步提高每單位 面積的記錄密度。
伴隨著記錄密度的提高，記錄在磁記錄介質(zhì)上的l位的面積變小。其結(jié)果是由記錄介 質(zhì)發(fā)出的磁場信號變得極其微弱，用現(xiàn)有的再生磁頭難以識別"O"或'T'。因此，伴隨記錄 密度的提高，需要磁場感度高的再生磁頭。
磁性裝置，特別是磁頭的性能通過使用巨磁阻效應(yīng)(Giant Magneto-Resistive Effect:GMR)或隧道MR效應(yīng)(Tunneling Magnetoresistive Effect: TMR)而有飛躍性的提 高。特別在自旋閥膜(Spin-Valve:SV膜)的磁頭或MRAM(Magnetic Random Access Memory) 等方面的應(yīng)用給磁性裝置領(lǐng)域帶來大的技術(shù)進(jìn)步。
"自旋閥膜"是具有在2個(gè)強(qiáng)磁性層之間夾有非磁性間隔層的結(jié)構(gòu)的疊層膜，也稱作為 自旋依賴散射單元。這2個(gè)強(qiáng)磁性層的一方(稱作為"銷固層"或"磁化固定層"等)的磁化 使用反強(qiáng)磁性層等固定，另一方(稱作為"自由層"或"磁化自由層"等)的磁化可以根據(jù)外 部磁場旋轉(zhuǎn)。在自旋閥膜中，通過變化銷固層與自由層的磁化方向的相對角度，可以得到 巨大的磁阻變化。
在使用了自旋閥膜的磁阻效應(yīng)元件中有CIP(Current In Plane)-GMR元件、CPP(Current Perpendicular to Plane) -GMR元件、禾口 TMR (Tunneling MagnetoResistance)元4牛。在 CIP-GMR元件中與自旋閥膜的膜面平行地通過讀出電流，在CPP-GMR元件和TMR元件 中，與自旋閥膜的膜面大致垂直的方向通過讀出電流。高記錄密度的磁頭以沿相對于膜面 垂直通過讀出電流的方式進(jìn)行移動(dòng)。目前，已知一種磁阻效應(yīng)元件，其具有磁阻效應(yīng)膜和在與上述磁阻效應(yīng)膜的膜面大致 垂直方向上通過讀出電流的一對電極，所述磁阻效應(yīng)膜具有銷固層、自由層、間隔層、和 在上述銷固層、上述自由層中、上述銷固層與上述間隔層的界面、或者上述自由層與上述 間隔層的界面上形成的具有氧化物、氮化物或氮氧化物的薄膜層(專利文獻(xiàn)1)。上述薄
膜層由于可使上自旋(7y:/7tf乂)電子或者下自旋(夕'々y7匕"V)電子中的任意一方優(yōu)
先透過，因此有助于產(chǎn)生更大的磁阻變化率(MR變化率magnetoresistive ratio)。這種 薄膜層稱作為自旋濾波層(SF層)。SF層的膜厚即使薄，也可以使上自旋電子和下自旋 電子的透過產(chǎn)生差異，因此對于磁頭的狹窄間隙化也是有利的。 [專利文獻(xiàn)l]日本專利特開2004-6589號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
但是，在現(xiàn)有的自旋濾波層中，上自旋電子與下自旋電子透過的差異不夠充分，有能 夠?qū)崿F(xiàn)更大MR變化率的空間。
本發(fā)明的目的在于提供可實(shí)現(xiàn)更大MR變化率的磁阻效應(yīng)元件。 本發(fā)明的一個(gè)方式涉及一種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，具有磁阻效應(yīng)膜和用于使電 流沿與上述磁阻效應(yīng)膜的膜面垂直的方向流過的一對電極，所述磁阻效應(yīng)膜含有磁化方向 實(shí)質(zhì)上固定在單向上的磁化固定層、磁化方向根據(jù)外部磁場而變化的磁化自由層、在上述 磁化固定層與上述磁化自由層之間設(shè)置的中間層、在上述磁化固定層或者磁化自由層上設(shè) 置的蓋層，和在上述磁化固定層中、上述磁化自由層中、上述磁化固定層與上述中間層的 界面、上述中間層與上述磁化自由層的界面、以及上述磁化固定層或者磁化自由層與上述 蓋層的界面的任一者上設(shè)置的功能層，所述功能層含有包含F(xiàn)e含量大于等于5原子％的金 屬材料和氮的層。
本發(fā)明的其它方式涉及磁阻效應(yīng)元件的制備方法，其是下述這樣的磁阻效應(yīng)元件的制 備方法，所述磁阻效應(yīng)元件具有磁阻效應(yīng)膜和用于使電流沿與上述磁阻效應(yīng)膜的膜面垂直 的方向流過的一對電極，所述磁阻效應(yīng)膜含有磁化方向?qū)嵸|(zhì)上固定在單向上的磁化固定 層、磁化方向根據(jù)外部磁場而變化的磁化自由層、在上述磁化固定層與上述磁化自由層之 間設(shè)置的中間層、在上述磁化固定層或者磁化自由層上設(shè)置的蓋層，和在上述磁化固定層 中、上述磁化自由層中、上述磁化固定層與上述中間層的界面、上述中間層與上述磁化自 由層的界面、以及上述磁化固定層或者磁化自由層與上述蓋層的界面的任一者上設(shè)置的功 能層，上述磁阻效應(yīng)元件的制備方法特征在于，在形成上述功能層時(shí)，將下述2個(gè)工序作為1個(gè)模式，重復(fù)該模式大于等于2次，所述2個(gè)工序是將Fe含量大于等于5原子％的金 屬層成膜的工序和將上述金屬層暴露在氮氛圍中的工序。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供能夠?qū)崿F(xiàn)更大MR變化率的磁阻效應(yīng)元件。


是實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的截面圖。是實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的截面圖。是實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的截面圖。是說明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的制備方法的截面圖。是在制備實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件時(shí)使用的裝置的構(gòu)成圖。是表示圖5的變換處理室的一個(gè)例子的構(gòu)成圖。是表示實(shí)施例1 4和比較例1的磁阻效應(yīng)元件的面阻抗(RA)和MR變化率的圖。是表示在氮或氧中暴露之前的金屬母材的Fe組成與MR變化率的關(guān)系的圖。 [圖9]是實(shí)施方式的磁頭的截面圖。是實(shí)施方式的磁頭的截面圖。是實(shí)施方式的磁記錄再生裝置的立體圖。是實(shí)施方式的磁頭萬向接頭組件的立體圖。是表示實(shí)施方式的磁存儲(chǔ)器的矩陣構(gòu)成的一個(gè)例子的圖。是表示實(shí)施方式的磁存儲(chǔ)器的矩陣構(gòu)成的其他例子的圖。是表示實(shí)施方式的磁存儲(chǔ)器的重要部位的截面圖。是沿圖15的A-A'線的截面圖。
符號說明
1 基板，SV 磁阻效應(yīng)膜，11 下電極，12 基底層，13 釘扎層，14銷固 層，141 下部銷固層，142 磁耦合層，143 上部銷固層，15 下部金屬層，16 間 隔層，161 絕緣層，162 電流通路，17 上部金屬層，18 自由層，19 蓋層， 20 上電極，21 SF層，22 SF層，41 偏壓磁場外加膜，42 絕緣膜，43 保 護(hù)層，50 運(yùn)送室，51 加載互鎖真空室，52 預(yù)凈化室，53 第1金屬成膜 室，54 第2金屬成膜室，60 變換處理室，61 真空泵，62 供給管，70 離 子源，71、 72、 73柵極，74中和器，75 等離子體激發(fā)源，80 基板支架，150磁記錄再生裝置，152 主軸，153磁頭滑塊，154 懸架裝置，155 驅(qū)動(dòng)器臂， 156 音圈電動(dòng)機(jī)，157 主軸，160磁頭組件，164導(dǎo)線，200 磁記錄磁盤， 311 記憶元件部分，312選擇用晶體管部分，322位線，322配線，323 字線， 323 配線，324下部電極，326過孔(匕'7) ， 328配線，330 開關(guān)晶體管， 332控制極(gate) ， 332 字線，334位線，334字線，350列譯碼器，351 行 譯碼器，352 讀出放大器，360 譯碼器。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在以相對于膜面垂直通過讀出電流的方式的磁阻效應(yīng)元件中，當(dāng)在磁 化固定層中、磁化自由層中、磁化固定層與中間層的界面、中間層與磁化自由層的界面、
以及磁化固定層或者磁化自由層與蓋層的界面的任一者上設(shè)置含有包含大于等于5%Fe的 金屬材料和氮的功能層(自旋濾波層，SF層)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)大的MR變化率。
另外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過改良功能層(SF層)的形成方法，可以制備上述實(shí)現(xiàn)了大的 MR變化率的磁阻效應(yīng)元件。
在現(xiàn)有的方法中，通過在基底層上將金屬層成膜后，實(shí)施滲氮處理并將金屬層變換為 氮化物或氧氮化物，從而形成SF層。在該方法中，由于對于金屬層的構(gòu)成原子沒有施加 大的變換能量，因而金屬層不能在整個(gè)膜厚范圍下變換為氮化物或者氧氮化物。
在實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的制備方法中，在形成功能層(SF層)時(shí)，將下述2個(gè)工 序作為1個(gè)模式，重復(fù)該模式大于等于2次，所述2個(gè)工序是將Fe含量大于等于5原子％ 的金屬層成膜的工序和將上述金屬層暴露在氮氛圍中的工序。此時(shí)，對于薄的金屬層實(shí)施 滲氮處理，可以對于金屬層的每一個(gè)原子施加大的變換能量，因此能夠在整個(gè)膜厚范圍下 將金屬層變換為氮化物，可以提高作為SF層的功能。對于磁阻效應(yīng)元件的制備方法，以 后參考圖4更為詳細(xì)地進(jìn)行說明。
以下， 一邊參考附圖， 一邊對實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件進(jìn)行說明。并且，在本說明書 中，全部附圖模式化地進(jìn)行描述，各構(gòu)成要素的大小(膜厚等)和構(gòu)成要素之間的比例等 與實(shí)物不同。
圖1 (a)和(b)、圖2 (a)和(b)、圖3 (a)和(b)中所示的磁阻效應(yīng)元件的任 一者都具有在沒有圖示的基板上疊層下電極11、磁阻效應(yīng)膜SV和上電極20的結(jié)構(gòu)。
圖1 (a)和(b)是表示在自由層中設(shè)置了 SF層21的磁阻效應(yīng)元件的一個(gè)例子的立 體圖。
7圖1 (a)的磁阻效應(yīng)膜SV具有將基底層12、釘扎層13、銷固層14、下部金屬層15、 間隔層16、上部金屬層17、自由層18、蓋層19進(jìn)行疊層而成的結(jié)構(gòu)。銷固層14具有將 下部銷固層141、磁耦合層142和上部銷固層143進(jìn)行疊層而成的結(jié)構(gòu)。間隔層16具有含 有絕緣層161和貫穿絕緣層161的電流通路162的、所謂電流狹窄(CCP: Current-Confined Path)結(jié)構(gòu)。并且，CCP結(jié)構(gòu)的情況，有包括下部金屬層15、間隔層16和上部金屬層17 作為廣義的間隔層進(jìn)行操作的情況。自由層18具有將下部自由層181、 SF層21和上部自 由層182進(jìn)行疊層而成的結(jié)構(gòu)。
對于圖1 (b)的磁阻效應(yīng)膜SV，除了間隔層16包含金屬層，且省略了下部金屬層 15和上部金屬層17以外，其他具有與圖l (a)同樣的結(jié)構(gòu)。
圖2 (a)和(b)是表示在上部銷固層中設(shè)置了 SF層22的磁阻效應(yīng)元件的一個(gè)例子 的立體圖。圖2 (a)中間隔層16具有CCP結(jié)構(gòu)。圖2 (b)中間隔層16包含金屬層。
對于圖3 (a)的磁阻效應(yīng)膜SV，除了上部銷固層具有將第1上部銷固層144、 SF層 22和第2上部銷固層145疊層而成的結(jié)構(gòu)，且自由層18包含1層的磁性層以外，其他具 有與圖2 (a)同樣的結(jié)構(gòu)。
對于圖3 (b)的磁阻效應(yīng)膜SV，除了間隔層16包含金屬層，且省略了下部金屬層 15和上部金屬層17以外，其他具有與圖3 (a)同樣的結(jié)構(gòu)。
圖3 (a)和(b)是表示在上部銷固層中設(shè)置了 SF層22、且在自由層18中設(shè)置了 SF 層21的磁阻效應(yīng)元件的一個(gè)例子的立體圖。圖3 (a)中間隔層16具有CCP結(jié)構(gòu)。圖3 (b)中間隔層16包含金屬層。其他結(jié)構(gòu)如參考圖1 (a)和(b)、圖2 (a)和(b)進(jìn)行 說明的一樣。
以下，說明磁阻效應(yīng)元件的構(gòu)成要素。
下電極11和上電極20是用于在自旋閥膜SV的垂直方向上通電的一對電極。通過在 下電極11與上電極20之間外加電壓，讀出電流沿自旋閥膜的膜面垂直方向流動(dòng)。通過讀 出電流并檢測由磁阻效應(yīng)引起的阻抗的變化，由此可以進(jìn)行磁性的檢測。為了使電流通過 磁阻效應(yīng)元件，可以在下電極11中使用電阻較小的金屬，例如NiFe、 Cu等。
基底層12具有作為緩沖層和晶種層等的功能。緩沖層是用于緩和下電極11表面的粗 糙的層。晶種層是用于控制在其上成膜的自旋閥膜的結(jié)晶取向和結(jié)晶粒徑的層。
緩沖層可以使用Ta、 Ti、 W、 Zr、 Hf、 Cr或者它們的合金。緩沖層的膜厚優(yōu)選2 10nm 左右，更優(yōu)選3 5nm左右。當(dāng)緩沖層的厚度過于薄時(shí)，緩沖效果喪失。另一方面，當(dāng)緩 沖層的厚度過于厚時(shí)，使對于MR變化率沒有作用的串行阻抗增大。并且，當(dāng)在緩沖層上
8成膜的晶種層具有緩沖效應(yīng)時(shí)，不需要一定設(shè)置緩沖層。優(yōu)選的例子可以列舉膜厚約為3nm 的Ta。
晶種層可以使用能夠控制在其上成膜的層的結(jié)晶取向的材料。作為晶種層，優(yōu)選具有 fcc結(jié)構(gòu)(face-centered cubic structure: 面心立方結(jié)構(gòu))、hep結(jié)構(gòu)(hexagonal close-packed structure:六角密集結(jié)構(gòu))、或者bec結(jié)構(gòu)(body-centered cubic structute:體心立方結(jié)構(gòu)) 的金屬層等。例如通過使用具有hcp結(jié)構(gòu)的Ru或者具有fcc結(jié)構(gòu)的NiFe,可以使其上的 自旋閥膜的結(jié)晶取向?yàn)閒ee (111)取向。另外，可以良好地形成釘扎層13 (例如IrMn) 的結(jié)晶取向。除了上述材料以外，還可以使用Cr、 Zr、 Ti、 Mo、 Nb、 W或者它們的合金。 為了充分發(fā)揮使結(jié)晶取向提高的功能，晶種層的膜厚優(yōu)選為1 5nrn，更優(yōu)選1.5 3nm。 當(dāng)晶種層的厚度過于薄時(shí)，結(jié)晶取向控制等的效果喪失。另一方面，當(dāng)晶種層的厚度過于 厚時(shí)，有時(shí)導(dǎo)致串行阻抗的增大，進(jìn)而形成自旋閥膜表面的凸凹的原因。優(yōu)選的例子可以 列舉膜厚約為2nm的Ru。
自旋閥膜或釘扎層13的結(jié)晶取向性可以通過X射線衍射進(jìn)行測定。自旋閥膜的fcc (111)峰、bec (110)峰或者釘扎層13 (IrMn)的fcc (111)峰中的搖擺曲線的半值寬 度為3.5 6度，可以得到良好的取向性。并且，該取向的分散角可以由使用了截面TEM 的衍射斑來判別。
作為晶種層，也可以使用以NiFe為基質(zhì)的合金，例如NixFel(X)-x (x=90 50%，優(yōu)選 75 85%)或者在NiFe中添加第3元素X而形成非磁性的(NixFei,) 1(K)-yXy (X= Cr、 V、 Nb、 Hf、 Zr、 Mo)，來替代Ru。以NiFe為基質(zhì)的晶種層比較容易得到良好的結(jié)晶取向 性，可以使與上述同樣測定的搖擺曲線的半值寬度為3 5度。
晶種層不僅具有提高結(jié)晶取向的功能，還具有控制在其上形成的層的結(jié)晶粒徑的功 能。在晶種層上形成的層中的結(jié)晶粒子的粒徑可以利用截面TEM等來決定。當(dāng)銷固層14 是位于與間隔層16相比在下層的位置的底型自旋閥膜時(shí)，其決定在晶種層上形成的釘扎 層13 (反強(qiáng)磁性層)或銷固層14 (磁化固定層)的結(jié)晶粒徑。
在與高密度記錄相對應(yīng)的再生磁頭中，元件尺寸例如形成小于等于100nm。當(dāng)結(jié)晶粒 徑相對于元件尺寸的比例增大，每單位元件面積的結(jié)晶粒子的數(shù)目變小時(shí)，能夠形成特性 偏差的原因，因此不太優(yōu)選增大結(jié)晶粒徑。特別不優(yōu)選在形成電流通路的CCP-CPP元件 中增大結(jié)晶粒徑。另一方面，即使結(jié)晶粒徑過于變小， 一般也難以維持良好的結(jié)晶取向。 因此，自旋閥膜的結(jié)晶粒徑優(yōu)選5 40nm的范圍，更優(yōu)選5 20nm的范圍。如果在這樣 的結(jié)晶粒徑的范圍下，即使減小磁阻效應(yīng)元件的尺寸，也可以不招致特性的偏差而實(shí)現(xiàn)高的MR變化率。
為了得到該范圍的結(jié)晶粒徑，優(yōu)選使用膜厚約為2nm的Ru來作為晶種層。另外，當(dāng) 使用(NixFe跳x) K)o.yXy (X=Cr、 V、 Nb、 Hf、 Zr、 Mo)作為晶種層時(shí)，優(yōu)選使第3元素 X的組成y為0 30。/。左右(還含有y為0。/。的情況)。
另一方面，在MRAM用途等中，元件尺寸有大于等于100nm的情況，有時(shí)即使結(jié)晶 粒徑大至40nm左右也不成問題。g卩，通過使用晶種層，有時(shí)即使結(jié)晶粒徑粗大化也無妨。 在使結(jié)晶粒徑比40mn更為粗大化時(shí)，晶種層的材料優(yōu)選使用例如在以NiFeCr基質(zhì)中大量 含有35 45%左右的Cr量且表現(xiàn)為fcc與bcc的邊界相的合金、或具有bcc結(jié)構(gòu)的合金。
釘扎層13具有賦予強(qiáng)磁性層單向各向異性(unidirectional anisotropy)、將磁化固定 的功能，所述強(qiáng)磁性層形成為在上述釘扎層13上成膜的銷固層14。釘扎層13的材料可以 使用IrMn、 PtMn、 PdPtMn、 RuRhMn等的反強(qiáng)磁性材料。其中，在對應(yīng)高記錄密度的磁 頭用途中，IrMn是有利的。IrMn能夠以比PtMn薄的膜厚外加單向各向異性，適合于為了 進(jìn)行高密度記錄而所需的狹窄間隙化。
為了賦予足夠強(qiáng)的單向各向異性，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定釘扎層13的膜厚。當(dāng)釘扎層13的材料 為PtMn或PdPtMn時(shí)，膜厚優(yōu)選為8 20nm左右，更優(yōu)選10 15nm。當(dāng)釘扎層13的材 料為IrMn時(shí)，即使以比PtMn等薄的膜厚也可以賦予單向各向異性，優(yōu)選其膜厚為3 12nm，更優(yōu)選4 10nm。優(yōu)選的一個(gè)例子可以列舉膜厚約為7nm的IrMn。
作為釘扎層13，也可以使用硬磁性層代替反強(qiáng)磁性層。硬磁性層可以列舉例如CoPt (Co=50 85%) 、 (CoxPtK)o-x) 100-yCry (x=50 85%， y=0 40%) 、 FePt (Pt=40 60%)。 由于硬磁性層(特別是CoPt)的比阻抗較小，因而可以抑制串行阻抗和面阻抗RA的增大。
作為銷固層14的優(yōu)選例子，可以列舉包含下部銷固層141 (例如Co9oFe,o[3.5nm])、 磁耦合層142 (例如Ru)和上部銷固層143 (例如Fe50Co50[lnm]/Cu
) x2/Fe50Co50 [lnm])的合成銷固層。釘扎層13 (例如IrMn)與其正上方的下部銷固層141進(jìn)行交換磁 性耦合，以具有單向各向異性(unidirectional anisotropy)。磁耦合層142上下的下部銷固 層141和上部銷固層143以磁化的方向相互呈反平行的方式進(jìn)行強(qiáng)的磁性耦合。
作為下部銷固層141的材料，可以使用例如CoxFeK)o-x合金(x=0 100%) 、 NixFe100-x 合金(x=0 100%)或者在這些合金中添加非磁性元素而成的材料。作為下部銷固層Ml 的材料，也可以使用Co、 Fe、 Ni的單元素或它們的合金。
下部銷固層141的磁性膜厚(飽和磁化Bsx膜厚t， Bs't積)優(yōu)選與上部銷固層143的 磁性膜厚大致相等。g卩，優(yōu)選上部銷固層143的磁性膜厚與下部銷固層141的磁性膜厚相
10對應(yīng)。作為一個(gè)例子，當(dāng)上部銷固層143為Fe5()Co5o [lnm]/Cu
) x2/Fe5()Co5o [lnm] 時(shí)，薄膜中的FeCo的飽和磁化約為2.2T，因此磁性膜厚為2.2T><3nm=6.6Tnm。由于Co9()Fe10 的飽和磁化約為1.8T，所以賦予與上述相等的磁性膜厚的下部銷固層141的膜厚t為 6.6Tnm/1.8T=3.66nm。因此，優(yōu)選使用膜厚約為3.6nm的Co9QFel0。另外，當(dāng)使用IrMn作 為釘扎層13時(shí)，優(yōu)選下部銷固層141的組成與Co9oFe,o相比稍微增加Fe的組成。具體來 說，Co"Fe25等是優(yōu)選的例子。
在下部銷固層141中使用的磁性層的膜厚優(yōu)選為1.5 4nm左右。這是基于由釘扎層 13 (例如IrMn)導(dǎo)致的單向各向異性磁場強(qiáng)度和以磁耦合層142 (例如Ru)為中介的下部 銷固層141與上部銷固層143的反強(qiáng)磁性耦合磁場強(qiáng)度的觀點(diǎn)所作出的。當(dāng)下部銷固層141 過于薄時(shí)，MR變化率變小。另一方面，當(dāng)下部銷固層14過于厚時(shí)，難以得到裝置運(yùn)行 所需要的充分的單向性各向異性磁場。優(yōu)選的例子可以列舉膜厚約為3.6nm的Co75Fe25。
磁耦合層142 (例如Ru)具有使上下的磁性層(下部銷固層141和上部銷固層143) 產(chǎn)生反強(qiáng)磁性耦合而形成合成銷結(jié)構(gòu)的功能。作為磁耦合層142的Ru層的膜厚優(yōu)選為 0.8 lnm。并且，只要是可使上下的磁性層產(chǎn)生充分的反強(qiáng)磁性耦合的材料，也可以使用 Ru以外的材料。還可以使用與RKKY耦合的第1峰對應(yīng)的膜厚0.3 0.6nm來代替與RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)耦合的第2峰對應(yīng)的膜厚0.8 lnm。作為例子，可以 列舉能夠得到更高可靠性的穩(wěn)定耦合的特性的、膜厚約為0.9nm的Ru。
作為上部銷固層143的一個(gè)例子，可以使用(Fe5oCo5o[lnm]/Cu
) x2/Fe5()Co50 [lnm]這樣的磁性層。上部銷固層143形成自旋依賴散射單元的一部分。上部銷固層143 是直接賦予MR效應(yīng)的磁性層，為了得到大的MR變化率，其構(gòu)成材料和膜厚這兩者是重 要的。特別地，位于與間隔層16的界面的磁性材料在有助于自旋依賴界面散射這方面是 重要的。
上部銷固層143優(yōu)選使用例如具有bcc結(jié)構(gòu)的磁性材料。當(dāng)使用具有bcc結(jié)構(gòu)的磁性 材料作為上部銷固層143時(shí)，自旋依賴界面散射效應(yīng)大，因此可以實(shí)現(xiàn)大的MR變化率。 作為具有bcc結(jié)構(gòu)的FeCo系合金，可以列舉FexC0H)().x (x=30 100%)或在FexCo1W)-x中 加入添加元素而成的材料。特別地，滿足各特性的Fe4()Co6() Fe6()Co4()，其中尤其是Fe5()Co50 為優(yōu)選的材料。
當(dāng)在上部銷固層143中使用具有易于實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R變化率的bcc結(jié)構(gòu)的磁性層時(shí)，優(yōu)選 該磁性層的總膜厚大于等于1.5nm。這是為了穩(wěn)定地保持bcc結(jié)構(gòu)。在自旋閥膜中使用的 金屬材料多為fcc結(jié)構(gòu)或者fct結(jié)構(gòu)，因而可以是僅上部銷固層143具有bcc結(jié)構(gòu)。因此，
11當(dāng)上部銷固層143的膜厚過于薄時(shí)，難以穩(wěn)定地保持bcc結(jié)構(gòu)，不能得到高的MR變化率。 作為上部銷固層143的例子列舉的(Fe5QCo5o[lnm]/Cu
) x2/Fe5()Co5o [lnm]具有總 膜厚為3nm的FeCo和在每lnm的FeCo上疊層0.25nm的Cu，總膜厚為3.5nm。另一方 面，上部銷固層143的膜厚優(yōu)選小于等于5nm。這是為了得到大的銷拴固定磁場。為了兼 顧大的銷拴固定磁場和bcc結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，優(yōu)選具有bcc結(jié)構(gòu)的上部銷固層143的膜厚為 2.0 4nm左右。
作為上部銷固層143，也可以使用在現(xiàn)有磁阻效應(yīng)元件中廣泛使用的具有fee結(jié)構(gòu)的 Co9oFe,o合金、或具有hep結(jié)構(gòu)的鈷合金來代替具有bcc結(jié)構(gòu)的磁性材料。作為上部銷固 層143，也可以使用含有Co、 Fe、 Ni等單質(zhì)金屬或者它們中的任一種元素的合金材料。作 為上部銷固層143的磁性材料，如果以對于得到大的MR變化率是有利的程度進(jìn)行排列， 則可以排列為具有bcc結(jié)構(gòu)的FeCo合金材料、具有大于等于50%的鈷組成的鈷合金、具 有大于等于50%的Ni組成的鎳合金的順序。
作為上部銷固層143的例子列舉的(Fe5QCo5Q[lnm]/Cu
) x2/Fe5QCo5a [lnm]是 將磁性層(FeCo層)與非磁性層(極薄Cu層)交互疊層而成的層。在具有這種結(jié)構(gòu)的上 述銷固層143中，利用極薄的Cu層可以使稱作為自旋依賴體積散射效應(yīng)的自旋依賴散射 效應(yīng)提高。
"自旋依賴體積散射效應(yīng)"是與"自旋依賴界面散射效應(yīng)"對應(yīng)而形成的用語。自旋依賴 體積散射效應(yīng)是指在磁性層內(nèi)部顯示MR效應(yīng)的現(xiàn)象。自旋依賴界面散射效應(yīng)是指在間隔 層與磁性層的界面顯示MR效應(yīng)的現(xiàn)象。
當(dāng)如圖2 (a)和(b)所示在上部銷固層中插入SF層22時(shí)，有提高M(jìn)R變化率的效 果。對于如圖2 (a)所示間隔層為CCP結(jié)構(gòu)、如圖2 (b)所示間隔層為金屬層的任一種 情況，都可以期待MR變化率提高的效果。對于SF層22的材料或制作方法等，由于與在 自由層中設(shè)置SF層21的情況相關(guān)聯(lián)而在以后進(jìn)行詳述，因而這里省略敘述。
以下，對于由使用具有磁性層和非磁性層的疊層結(jié)構(gòu)的上部銷固層而導(dǎo)致的體積散射 效應(yīng)的增加進(jìn)行說明。
對于圖1 (a)這樣的具有CCP結(jié)構(gòu)的CPP-GMR元件的情況，在間隔層的附近電流 被狹窄化，因此界面附近的阻抗所起的作用非常大。即，在間隔層16與磁性層(銷固層 14和自由層18)的界面處的阻抗占磁阻效應(yīng)元件整體的阻抗的比例大。這表示在CCP-CPP 元件中，自旋依賴界面散射效應(yīng)所起的作用非常大，且很重要。即，位于間隔層16界面 的磁性材料的選擇與現(xiàn)有CPP元件的情況相比具有重要的意義。在銷固層143中使用具有bcc結(jié)構(gòu)的FeCo合金層的原因是由于如上所述的自旋依賴界面散射效應(yīng)大的緣故。
但是，為了得到更高的MR變化率，使用體積散射效應(yīng)大的材料也是重要的。為了得 到體積散射效應(yīng)，優(yōu)選極薄Cu層的膜厚為0.1 lnm，更優(yōu)選0.2 0.5nm。當(dāng)Cu層的膜 厚過于薄時(shí)，體積散射效應(yīng)增加的效果變?nèi)?。?dāng)Cu層的膜厚過于厚時(shí)，體積散射效應(yīng)減 少，而且以非磁性的Cu層介導(dǎo)的上下磁性層的磁性耦合變?nèi)?，銷固層14的特性變得不充 分。由于這些原因，在作為優(yōu)選例子列舉的上部銷固層中使用膜厚為0.25nm的Cu。
作為上部銷固層143中磁性層間的非磁性層的材料，也可以使用Hf、 Zr、 Ti等來代替 Cu。當(dāng)插入這些極薄的非磁性層時(shí)，F(xiàn)eCo等磁性層的每一層的膜厚優(yōu)選為0.5 2nm，更 優(yōu)選1 1.5nm左右。
作為上部銷固層143，也可以使用將FeCo與Cu合金化的層來代替FeCo層與Cu層的 交互疊層結(jié)構(gòu)。這種FeCoCu合金可以列舉例如(FexC0l。。.x) ,。。.yCuy (x=30 100%,y=3 15%左右)，但也可以使用這以外的組成范圍。作為在FeCo中添加的元素，也可以使用 Hf、 Zr、 Ti等其他元素來代替Cu。
上部銷固層143也可以使用包含Co、 Fe、 Ni或這些合金的單層膜。例如作為最單純 結(jié)構(gòu)的上述銷固層143，可以使用一直以來被廣泛使用的2 4nm的Co9oFe,o單層。在該材 料中也可以添加其他的元素。
對于間隔層16，可以使用具有絕緣層161和貫穿絕緣層161的電流通路162的CCP 結(jié)構(gòu)的層，和包含金屬層(全金屬)的層。
對于含有下部金屬層15、間隔層16和上部金屬層17的CCP結(jié)構(gòu)的間隔層(廣義) 進(jìn)行說明。
下部金屬層15是作為電流通路162材料的供給源使用后的殘留層，有時(shí)作為最終形 態(tài)也不一定殘留。
在CCP結(jié)構(gòu)的間隔層中，絕緣層161由氧化物、氮化物、氮氧化物等形成。絕緣層 161可以使用具有A1203這樣的非晶型結(jié)構(gòu)、以及具有MgO這樣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的任一種的層。 為了發(fā)揮作為間隔層的功能，絕緣層161的厚度優(yōu)選為1 3.5nm的范圍，更優(yōu)選1.5 3nm 的范圍。
在絕緣層161中使用的典型材料可以列舉Al203和在其中加入添加元素而成的材料。 作為例子，可以使用膜厚約為2nm的A1203。添加元素有Ti、 Hf、 Mg、 Zr、 V、 Mo、 Si、 Cr、 Nb、 Ta、 W、 B、 C、 V等。這些添加元素的添加量可以在0% 50%左右的范圍下適 當(dāng)變化。在絕緣層161中，也可以使用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氧化物等來代替八1203這樣的 Al氧化物。即使對于這些氧化物，也可以使用上述添加元素。添加元素的添加量可以在 0% 50%左右的范圍下適當(dāng)變化。
作為絕緣層161，也可以使用以Al、 Si、 Hf、 Ti、 Mg、 Zr、 V、 Mo、 Nb、 Ta、 W、 B、 C為基質(zhì)的氮化物或氮氧化物來代替氧化物。
電流通路162形成沿間隔層16的膜面垂直方向流過電流的狹窄的通路(路徑)，其 例如含有Cu等的金屬。當(dāng)在間隔層16中使用CCP結(jié)構(gòu)時(shí)，利用電流狹窄效應(yīng)可以增大 MR變化率。在電流通路162的材料中，除了 Cu以夕卜，還可以使用Au、 Ag、 Al、 Ni、 Co、 Fe和含有這些元素中的至少一種的合金。作為含有Cu的合金的例子，可以列舉例如CuNi、 CuCo、CuFe等。為了提高M(jìn)R變化率、減小銷固層14和自由層18的層間耦合磁場(interlayer coupling fidd,Hin)，優(yōu)選使用具有含有大于等于50%Cu的組成的合金。
形成電流通路162的材料也可以用于包含金屬層(全金屬)的間隔層。特別地，全金 屬的間隔層優(yōu)選用選自Au、Ag禾B Cu的元素來形成。全金屬間隔層的膜厚優(yōu)選為1.5 3nm 左右。
電流通路162與絕緣層161相比是氧、氮的含量顯著少(氧或氮的含量的比例大于等 于2倍)的區(qū)域，其一般為結(jié)晶相。結(jié)晶相與非結(jié)晶相相比阻抗小，因此作為電流通路162 是優(yōu)選的。
上部金屬層17構(gòu)成廣義的間隔層的一部分。上述金屬層17具有作為阻擋層的功能， 以保護(hù)在其上成膜的自由層18與間隔層16的氧化物相接而不被氧化，其還具有使自由層 18的結(jié)晶性良好的功能。例如當(dāng)絕緣層161的材料為非晶型(例如Ab03)時(shí)，在其上成 膜的金屬層的結(jié)晶性變差。因此，通過配置使fcc結(jié)晶性良好的層(例如可以是Cu層，小 于等于lnm左右的膜厚)來作為上部金屬層17，可以顯著改善自由層18的結(jié)晶性。
并且，根據(jù)間隔層16的材料或自由層18的材料，不一定需要設(shè)置上部金屬層17。通 過退火條件的最優(yōu)化、或間隔層16的絕緣材料的選擇、自由層18的材料的選擇等，如果 能夠回避結(jié)晶化的降低，則可以不要間隔層16上的金屬層17。
但是，考慮到制備上的限度，當(dāng)采用CCP結(jié)構(gòu)時(shí)，優(yōu)選在間隔層16上形成上部金屬 層17。上部金屬層17的優(yōu)選例子可以列舉膜厚約為0.5nm的Cu。
作為上部金屬層17的材料，除了Cu以外，也可以使用Au、 Ag、 Ru等。上部金屬層 17的材料優(yōu)選與間隔層16的電流通路162的材料相同。當(dāng)上部金屬層17的材料與電流通路162的材料不同時(shí)，導(dǎo)致界面阻抗的增大，但如果兩者為相同的材料，則不產(chǎn)生界面阻 抗的增大。
上部金屬層17的膜厚優(yōu)選為0 1nm，更優(yōu)選0.1 0.5nm。當(dāng)上部金屬層17過于厚 時(shí)，在間隔層16中狹窄化的電流在上部金屬層17中擴(kuò)大，電流狹窄效應(yīng)變得不充分，導(dǎo) 致MR變化率的降低。
自由層18是含有強(qiáng)磁性體的層，所述強(qiáng)磁性體根據(jù)外部磁場，其磁化方向發(fā)生變化。 例如在圖1 (a)和(b)的磁阻效應(yīng)元件中，通過設(shè)置包含金屬材料的氮化物且具有自旋 濾波效果的SF層21作為自由層18的一部分，可以在不增加膜厚的情況下實(shí)現(xiàn)更大的MR 變化率。作為可變換為含有氮化物的SF層的金屬材料，可以使用含有Fe和選自Co、 Ni 和B的元素、且Fe含量大于等于5原子％的材料。
并且，也可以如圖2 (a)和(b)所示在上部銷固層中設(shè)置SF層22，還可以如圖3 (a)和(b)所示，在自由層18中設(shè)置SF層22，同時(shí)在上部銷固層中設(shè)置SF層22。在 自由層中或者銷固層中也可以設(shè)置多個(gè)SF層。另外，也可以在銷固層14與間隔層16的 界面、間隔層16與自由層18的界面、自由層18與蓋層19的界面設(shè)置SF層。
蓋層19具有保護(hù)自旋閥膜的功能。蓋層19可以制成多個(gè)金屬層，例如Cu層和Ru層 的2層結(jié)構(gòu)(Cu[lnm]/Ru[10nm])。蓋層19也可以使用在自由層18—側(cè)配置了 Ru的Ru/Cu 層。此時(shí)，Ru的膜厚優(yōu)選為0.5 2nm左右。該結(jié)構(gòu)的蓋層19特別在自由層18包含NiFe 的情況是優(yōu)選的。Ru與Ni呈非固溶的關(guān)系，因此可以減少在自由層18與蓋層19之間形 成的界面混合層的磁變形。
對于蓋層19為Cu/Ru和Ru/Cu的任一種情況，Cu層的膜厚都優(yōu)選為0.5 10nm左右， Ru層的膜厚都優(yōu)選為0.5 5nm左右。Ru由于比阻抗值高，所以不優(yōu)選使用厚的Ru層。
作為蓋層19，也可以設(shè)置其他的金屬層來代替Cu層或Ru層。只要是可保護(hù)自旋閥 膜的材料，還可以將其他材料用于蓋層19。但是，通過蓋層的選擇，有時(shí)可以改變MR變 化率或長期可靠性，因此需要注意。從這些觀點(diǎn)的角度考慮，優(yōu)選Cu或Ru作為蓋層的材 料。
在上電極20中，可以使用對于電是低阻抗的材料，例如Cu、 Au、 NiFe等。
其次，對于實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的制備方法進(jìn)行說明。圖4 (a) (e)是表示
在制備圖1 (b)的磁阻效應(yīng)元件時(shí)，用于在下部自由層181上形成SF層21的制備工序的
截面圖。
如圖4 (a)所示，在下部自由層181上將變換為SF層21的第1金屬層211成膜。第1金屬層211包含F(xiàn)e含量大于等于5原子％的金屬材料。
如圖4 (b)所示，對于第1金屬層211實(shí)施變換處理，形成含有氮的變換層211'。該 變換層211'形成SF層21的一部分。在該變換處理中，僅將金屬層2U的表面暴露在氮氛 圍下不能變換為期望的變換層。需要在氮氛圍中通過離子束將運(yùn)動(dòng)能量給予金屬層的原 子，同時(shí)進(jìn)行變換處理。在這種處理中，能量協(xié)助對金屬層的原子發(fā)揮作用。通過將第1 金屬層211薄薄地堆積而進(jìn)行變換處理，可以沿深度方向?qū)嵤┚鶆虻淖儞Q處理。
如圖4 (c)所示，將在變換層211'上變換為SF層21的第2金屬層212再次成膜。第 2金屬層212也包含F(xiàn)e含量大于等于5原子％的金屬材料。
如圖4 (d)所示，與圖4 (b)同樣，對于第2金屬層212再次實(shí)施變換處理，形成 含有氮的變換層212'。此時(shí)，不光僅在第2金屬層212中進(jìn)行變換，而且有時(shí)在正下方的 變換層211'、進(jìn)而在下部自由層181也進(jìn)行變換。由于氮化物的生成能量根據(jù)金屬材料而 有所不同，因此變換進(jìn)行的深度很大程度依賴于金屬材料的組成和結(jié)晶結(jié)構(gòu)等。
以下，根據(jù)最終完成的SF層21的膜厚改變分割次數(shù)，將金屬層的成膜和變換處理作 為1個(gè)模式，將該模式僅以需要的次數(shù)重復(fù)進(jìn)行，形成SF層21。
其后，如圖4 (e)所示，將上部自由層182成膜。這樣形成含有下部自由層181、 SF 層21和上部自由層182的自由層18。并且如上所述，當(dāng)變換處理的影響波及至下部自由 層181時(shí)，在SF層21與下部自由層181之間變得沒有明確的區(qū)分。此時(shí)，與在間隔層16 與自由層18 (此時(shí)僅上部自由層182)的界面形成SF層21這種情況是等價(jià)的。
對于形成包含氮化物的SF層的情況，在將SF層的完成膜厚記作T納米時(shí)，將金屬層 的成膜和變換處理作為1個(gè)模式時(shí)的模式的重復(fù)次數(shù)N通過下式記述。 (T/0.5) xx (l) (這里，x為1 2的常數(shù)，Kl)。
在使根據(jù)包含氮化物的SF層的完成膜厚而分割且成膜的金屬層的分割數(shù)變化的過程 中，適用上述(1)式來規(guī)定重復(fù)次數(shù)N，實(shí)施一系列的制備工序。由于氮化物的生成能量 大，所以在將變換為SF層的金屬層成膜為超過lnm的厚度并進(jìn)行滲氮處理時(shí)，在表面僅 形成薄的滲氮層，不能發(fā)揮作為SF層所期望的效果，且提高M(jìn)R變化率的效果小。因此， 優(yōu)選1次成膜的金屬層的膜厚為小于等于lnm。
特別地，當(dāng)如圖2 (a)和(b)所示在上部銷固層143中設(shè)置SF層22時(shí)，優(yōu)選不使 銷固層的釘扎(匕。y-y夕")特性(Hua)降低。此時(shí)，當(dāng)在選自Ni、 Fe、 Co和它們的合金的 強(qiáng)磁性金屬層中實(shí)施變換處理而形成SF層時(shí)，Hua難以降低，從這一點(diǎn)考慮來說是優(yōu)選的。另外，優(yōu)選使夾住SF層22的2層強(qiáng)磁性層進(jìn)行強(qiáng)磁性耦合。
另外，對于在自由層中設(shè)置SF層的情況，當(dāng)在強(qiáng)磁性金屬層中實(shí)施變換處理而形成 SF層時(shí)，強(qiáng)磁性體中的磁矩之間的交換耦合發(fā)揮作用，自由層整體進(jìn)行強(qiáng)磁性耦合，引起 磁化的一同旋轉(zhuǎn)。因此，可以控制性好地實(shí)現(xiàn)作為自由層的必要條件之一的低保磁力(Hc)。
包含氮化物的SF層21的完成膜厚優(yōu)選為0.2nm 10nm左右，更優(yōu)選0.3nm 5nm左 右。并且，即使對于氮化物這樣的作為絕緣層已知的材料，當(dāng)增大膜厚時(shí)面阻抗增大，因 此在制作低阻抗磁頭用的磁阻效應(yīng)元件方面，具有接近于lOrnn這樣厚度的SF層21是不 實(shí)用的。
為了形成更均勻的SF層，出于協(xié)助原子的移動(dòng)能量的目的，也可以將氬、氙、氦、 氖、氪等的氣體進(jìn)行離子化或者等離子體化，在這種離子化氛圍或者等離子體氛圍中供給 氮?dú)獾榷a(chǎn)生的離子或等離子體照射在金屬層表面而進(jìn)行變換處理。
在SF層形成時(shí)，也可以考慮不進(jìn)行上述那樣的由離子協(xié)助導(dǎo)致的滲氮，而是單單在 氮?dú)夥諊率菇饘賹颖┞?，進(jìn)行所謂的自然滲氮，但為了形成均勻的SF層，優(yōu)選按照(1) 式將分割的薄的膜厚的金屬層進(jìn)行成膜。
含有SF層的磁阻效應(yīng)元件的面阻抗RA小于等于0.5Q7im2，具體來說優(yōu)選為 0.05Q，2 0.3Q，2。
以下，對于形成SF層時(shí)的電子束條件進(jìn)行說明。在利用滲氮處理形成SF層時(shí)如上述 那樣將稀有氣體進(jìn)行離子化或者等離子體化的情況，優(yōu)選將加速電壓V設(shè)定為+30V 130V，將電子束電流Ib設(shè)定為20 200mA。這些條件與進(jìn)行離子束蝕刻時(shí)的條件相比是 顯著弱的條件。即使使用RF等離子體等的等離子體來代替離子束，也同樣可以形成SF層。 對于離子束的入射角度，將相對于膜面垂直入射的情況定義為O度，將與膜面平行入射的 情況定義為卯度，該入射角度在0 80度的范圍下適當(dāng)改變。該工序中的處理時(shí)間優(yōu)選 為15秒 180秒，從控制性等的觀點(diǎn)考慮，更優(yōu)選大于等于30秒。當(dāng)處理時(shí)間過于長時(shí)， 由于CPP元件的生產(chǎn)性差，因而不是優(yōu)選的。從這些觀點(diǎn)的角度，處理時(shí)間最優(yōu)選為30 秒 180秒。
對于使用了離子或者等離子體的滲氮處理的情況，氮暴露量優(yōu)選為1000 10000000L (lL=lxl(T6Torrxsec)。
通過在圖4的各工序中使用上述的適當(dāng)條件，可以實(shí)現(xiàn)具有良好特性的SF層。 在圖4 (a)和(c)中，進(jìn)行分割并疊層的第1和第2金屬層21K 212可以是相同的 材料，或者也可以是不同的材料。 一般來說，多使用同一的材料，但不需要一定是一致的
17材料。
圖5表示為了制備實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件而使用的裝置的概略構(gòu)成。如圖5所示， 以運(yùn)送室(TC) 50為中心，分別通過真空閥設(shè)置加載互鎖真空室51、預(yù)凈化室52、第1 金屬成膜室(MC1) 53、第2金屬成膜室(MC2) 54、變換處理室60。對于該裝置，在通 過真空閥連接的各室之間可以在真空中運(yùn)送基板，因此基板的表面可以保持潔凈。
金屬成膜室53、 54具有多元(5 10元)的靶標(biāo)(夕一^'7卜)。成膜方式可以列舉 DC磁控濺射、RF磁控濺射等的濺射法、離子束濺射法、蒸鍍法、CVD (Chemical Vapor Deposition)法和MBE (Molecular Beam Epitaxy)法等。在變換處理中可以利用具有離子 束機(jī)構(gòu)、RF等離子體機(jī)構(gòu)或者加熱機(jī)構(gòu)的腔室，且需要與金屬成膜室分開。
真空室的典型真空度為10一Torr左右(日文臺(tái))，即使是l(T8T0rr的前半部分的值 也可以允許。更具體地，金屬成膜室的到達(dá)真空度優(yōu)選小于等于lxl(T8T0rr， 一般為 5xl0-"Torr 5xl(^Torr左右。運(yùn)送室50的到達(dá)真空度為10力Torr級別。變換處理室60的 到達(dá)真空度小于等于8xl0—8Torr。
變換為SF層的金屬層的成膜可以在金屬成膜室53、 54的任一者中進(jìn)行。變換處理可 以在變換處理室60中進(jìn)行。在金屬層成膜后，基板通過運(yùn)送室50輸送至變換處理室60 中而進(jìn)行變換處理。之后，輸送至金屬成膜室53、 54的任一者中，第2金屬層被成膜， 然后基板再次通過運(yùn)送室50輸送至氧化處理室60中，進(jìn)行變換處理。
圖6表示圖5的變換處理室60的一例構(gòu)成。該變換處理室60使用了離子束。如圖所 示，變換處理室60利用真空泵61抽成真空，由質(zhì)量流控制器(MFC) 63進(jìn)行流量控制的 反應(yīng)氣體從供給管62引入變換處理室60。在變換處理室60內(nèi)設(shè)置離子源70。離子源的 形式可以歹U舉ICP (Inductive coupled plasma)型、Capacitive coupled plasma型、ECR (Electron-cyclotronresonance)型、考夫曼型等。以與離子源70對向的方式配置基板支架 80，并在其上設(shè)置基板l。
在來自離子源70的離子釋放口處設(shè)置調(diào)節(jié)離子加速度的3片柵極71、 72、 73。在離 子源70的外側(cè)設(shè)置中和離子的中和器74?；逯Ъ?0以可傾斜的方式被支撐。離子對于 基板1的入射角度能夠以寬的范圍改變，典型的入射角度的值為15° 60°。
在該變換處理室60中，通過將Ar等的離子束照射在基板l上，可以進(jìn)行對于使用了 離子的變換處理的能量協(xié)助， 一邊從供給管62供給反應(yīng)氣體， 一邊通過將Ar等的離子束 照射在基板1上而變換金屬層來形成SF層。
變換處理室也可以使用RF等離子體室等。無論怎樣，為了在變換處理中給予能量，都在可產(chǎn)生離子或者等離子體的腔室中進(jìn)行變換處理。
另外，作為用于給予能量的手段，也可以進(jìn)行加熱處理。此時(shí)，可以列舉在例如ioo°c 300'C的溫度下進(jìn)行數(shù)十秒至數(shù)分鐘左右的加熱處理。
其次，對于圖l (a)和(b)所示的磁阻效應(yīng)元件的制備方法從整體上進(jìn)行說明。
(1) 基底層12的形成
在基板(沒有圖示)上，利用微細(xì)加工工序預(yù)先形成下電極11。在下電極11上，將 例如Ta[5nm]/Ru[2nm]成膜來作為基底層12。 Ta是為了緩和電極的粗糙而使用的緩沖層。 Ru是控制在其上成膜的自旋閥膜的結(jié)晶取向和結(jié)晶粒徑的晶種層。
(2) 釘扎層13的形成
在基底層12上將釘扎層13成膜。釘扎層13的材料可以使用PtMn、 PdPtMn、 IrMn、 RuRhMn等的反強(qiáng)磁性材料。
(3) 銷固層14的形成
在釘扎層13上形成銷固層14。銷固層14例如可以使用包含下部銷固層141(Co9()Fei0)、 磁耦合層142 (Ru)和上部銷固層143 (Co9oFe,0)的合成銷固層。
(4) 間隔層的形成
接著形成間隔層。間隔層可以是圖1 (a)這樣的具有CCP結(jié)構(gòu)的層，也可以是圖1 (b)這樣的金屬層。
具有CCP結(jié)構(gòu)的間隔層例如可以用日本專利特開2006-54257號公報(bào)中公開的方法來 形成。包含金屬層的間隔層可以通過在金屬成膜室中將Cu、 Au、 Ag、 Cr、 Mn等成膜來 形成。
(5) 自由層的形成
其次，參考圖4按照說明的方法來形成含有SF層21的自由層18。
(6) 蓋層19和上電極20的形成
在自由層18上疊層作為蓋層19的例如Cu[lnm]/Ru[10nm]。在蓋層19上形成用于向 自旋閥膜垂直通電的上電極20。 實(shí)施例 (實(shí)施例l)
在本實(shí)施例中，制備圖1 (b)所示的磁阻效應(yīng)元件。表示實(shí)施例1的磁阻效應(yīng)元件的 構(gòu)成。
下電極11
19基底層12: Ta[lnm]/Ru[2nm] 釘扎層13: Ir22Mn78 [7nm]
銷固層14: Co90Fel0 [4nm]/ Ru
/ Co90Fe10 [4nm] 間隔層(全金屬)16: Cu[3nm] 下部自由層181: Co90Fe10 [2nm]
SF層21:用圖4的方法制備的(Fe8()Co2()
的滲氮層)x5層 上部自由層182: Co9oFe1() [2nm] 蓋層19 上電極20。
這里，對于疊層至間隔層16、然后形成含有SF層的自由層的方法進(jìn)行說明。當(dāng)如本 實(shí)施例這樣形成含有SF層的自由層時(shí)，首先將通常自由層一半膜厚的磁性層疊層，并在 其上形成SF層21。在本實(shí)施例中將作為下部自由層181的、2nm的Co9oFeK)成膜。
其次，在圖4(a)的工序中，將作為變換為SF層的第1金屬層211的、厚度為0.4nm 的Fe8oCo2o成膜。在圖4 (b)的工序中，如以下那樣進(jìn)行變換處理。首先，在將Ar離子 束照射在金屬層表面上的狀態(tài)下，使氮?dú)饬魅胱儞Q處理室。Ar離子束的加速條件為60V。 這樣形成第1層的極薄的滲氮層211'。停止氮?dú)獾牧鲃?dòng)，將基板移向金屬成膜室。在圖4 (c)的工序中，將作為轉(zhuǎn)換為SF層的第2金屬層212的、厚度為0.4nm的Fe卯Co2()的再 次成膜。在圖4 (d)的工序中，進(jìn)行第2金屬層212的變換處理。該變換處理?xiàng)l件與圖4 (b)中的滲氮條件相同。這樣形成第2層的極薄的滲氮層212'。通過將這種金屬層的成膜 和滲氮處理合計(jì)重復(fù)5次，最終形成包含膜厚為2nm的Fe8()C02()的滲氮層的SF層21 。
SF層21的形成結(jié)束后，將基板移向金屬成膜室，進(jìn)行上部自由層、蓋層的成膜。制 備的CPP元件通過將全部層成膜后進(jìn)行的熱處理而形成最終的層構(gòu)成，因此在成膜中的階 段中有時(shí)并沒有形成最終的層構(gòu)成。實(shí)際上在成膜至蓋層后進(jìn)行熱處理也表現(xiàn)能量協(xié)助效 果。該熱處理在280'C下進(jìn)行4小時(shí)。 (實(shí)施例2)
除了使用以圖4的方法制備的(CO64Fei6B20
的滲氮層)x5層來作為SF層21 以外，其它與實(shí)施例1同樣來制備磁阻效應(yīng)元件。 (實(shí)施例3)
除了使用以圖4的方法制備的(FesoCo50
的滲氮層)x5層來作為SF層21以外， 其它與實(shí)施例1同樣來制備磁阻效應(yīng)元件。
20(實(shí)施例4)
除了使用以圖4的方法制備的(Ni95Fe5
的滲氮層)x5層來作為SF層21以夕卜， 其它與實(shí)施例1同樣來制備磁阻效應(yīng)元件。 (比較例1)
作為比較例l，制備自由層18含有膜厚為4nm的C09。Fe,()，不包含SF層的磁阻效應(yīng) 元件。表示比較例1的磁阻效應(yīng)元件的構(gòu)成。 下電極11
基底層12: Ta[lnm]/Ru[2nm] 釘扎層13: Ir22Mn78 [7nm〗
銷固層14: Co90Fe10 [4nm]/ Ru
/ Co卯Feio [4nm] 間隔層(全金屬)16: Cu[3nm] 自由層18: Co卯Fe,o[4nm] 蓋層19 上電極20。 (比較例2)
在比較例2中，除了使用lnm的Fe8oCo2o的氧化層來作為SF層21以外，其它與實(shí)施 例1同樣來制備磁阻效應(yīng)元件。
對如上述那樣制備的實(shí)施例1 4和比較例1、 2的磁阻效應(yīng)元件的特性進(jìn)行評價(jià)。對 于各元件，使電流從銷固層14流向自由層18的方向(使電子從自由層18流向銷固層14 的方向)，并測定面阻抗和MR變化率。這里，當(dāng)使電流從自由層18流向銷固層14的方 向(使電子從銷固層14流向自由層18的方向)時(shí)，由自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩效應(yīng)導(dǎo)致的噪音變大。 因此，為了降低自旋轉(zhuǎn)移噪音，優(yōu)選如上述那樣使電流從銷固層14流向自由層18的方向。
圖7表示實(shí)施例1 4和比較例1、 2的磁阻效應(yīng)元件的面阻抗(RA)和MR變化率。 在比較例1的元件中，RA-約0.08Q)am2， MR變化率-約0.8%。在實(shí)施例1的元件中， RA=0.1Qpm2， MR變化率4.1。/。。另外，即使是實(shí)施例2~4的元件，與比較例1的元件 相比，面阻抗(RA)和MR變化率也得到改善。g卩，即使以難以形成氮化物的磁性元素為 母材料的情況，通過研究形成方法，也能夠在全部實(shí)施例中確認(rèn)MR變化率的增大。另外， 其中表現(xiàn)MR變化率增大最多的實(shí)施例是以Fe含量最大的Fe8oCo2()為母材的例子。g卩，可 知越是含有Fe含量高的金屬材料和氮的層，其MR變化率的增大效果越大?？芍蠪e 含量大于等于5原子％的金屬材料和氮作為組成的層是有效的。另夕卜，在比較例2的元件中，RA=0.14Qpm2， 1^11變化率=0.8%，僅產(chǎn)生面阻抗RA的 增大，不能確認(rèn)MR變化率增大。即，對于不是在氮氛圍下暴露、而是暴露在氧氛圍下的 樣品，僅能觀察到RA的增大，沒有產(chǎn)生MR變化率的增大。即使是Fe含量大的材料，對 于不是氮化物而是氧化物的情況，也僅能觀察到面阻抗RA的增大，難以得到MR變化率 的增大。產(chǎn)生面阻抗的增大，這在作為磁頭應(yīng)用時(shí)不是優(yōu)選的。由于期望面阻抗RA低， 因此與氧化物相比，優(yōu)選氮化物。
將以上的MR變化率的結(jié)果對于暴露在氮或者氧中之前的金屬母材的Fe組成畫曲線， 并示于圖8。由圖8可知，對于暴露在氮氛圍下的樣品，只要在氮氛圍下暴露之前的金屬 母材的Fe含量大于等于5原子。/。，就可以確認(rèn)MR變化率的增大。另一方面，即使Fe含 量大于等于5原子％，對于暴露在氧氛圍下的樣品的情況，也不能完全認(rèn)為MR變化率增 大。即，對于Fe含量大于等于5原子o/。且暴露在氮氛圍下的樣品，可以不招致面阻抗RA 的增大，而產(chǎn)生MR變化率的增大。
并且，對于實(shí)施例1的元件，觀測截面透射型電子顯微鏡(截面TEM)像，結(jié)果可知， 間隔層16的結(jié)晶取向面與下部自由層181的結(jié)晶取向面以這兩者的界面為邊界而相互不 同。另外可知，相當(dāng)于下部自由層的部分與相當(dāng)于包含(Fe8oCo2o
的滲氮層)"的 SF層的部分具有相同的結(jié)晶取向面。進(jìn)而，這些部分的結(jié)晶取向面與相當(dāng)于其上的上部自 由層的部分的結(jié)晶取向面不同。
將截面TEM像進(jìn)行高速傅立葉變換(FFT)，得到結(jié)晶取向面的逆點(diǎn)陣位點(diǎn)。將間隔 層16的逆點(diǎn)陣位點(diǎn)與SF層21 (和下部自由層181)的逆點(diǎn)陣位點(diǎn)以
方位的位點(diǎn)為中 心進(jìn)行重疊。在間隔層16和SF層21中，從中心的位點(diǎn)到逆點(diǎn)陣位點(diǎn)的間隔幾乎相等， 認(rèn)為是等價(jià)的結(jié)晶取向面之間傾斜約60度。
相對于此，在實(shí)施例2 4和比較例1中，不認(rèn)為存在如實(shí)施例1這樣的、在2個(gè)層 的結(jié)晶取向面之間產(chǎn)生傾斜這樣的界面。
以上的結(jié)果可以如下述那樣來說明。在將金屬層的疊層和滲氮處理重復(fù)進(jìn)行5次而形 成SF層時(shí)，每1層的金屬層的膜厚十分薄(此時(shí)為0.4nm)。當(dāng)對于薄的金屬層進(jìn)行使用 了離子或等離子體的滲氮處理時(shí)，可以向金屬層的構(gòu)成原子供給充分的能量。因此，金屬 層能夠在整個(gè)膜厚的范圍下切實(shí)地變換為滲氮膜，并表現(xiàn)良好的自旋濾波功能。進(jìn)而，當(dāng) 使用Fe含量多的金屬層并進(jìn)行滲氮處理時(shí)，在SF層(和下部自由層)與基底的間隔層之 間結(jié)晶取向面產(chǎn)生傾斜，附加了進(jìn)一步的效果，進(jìn)而表現(xiàn)良好的自旋濾波功能。因此，如 圖7所示，實(shí)施例1與實(shí)施例2 4相比，面阻抗(RA)和MR變化率進(jìn)而變高。(實(shí)施例5)
使用以下材料，制備圖2 (b)所示的磁阻效應(yīng)元件。 下電極11
基底層12: Ta[lnm]/Ru[2nm] 釘扎層13: Ir22Mn78 [7nm] 下部銷固層14h Co9oFe1() [4nm] 反強(qiáng)磁性耦合層142: Ru
第1上部銷固層144: Co9oFeIQ [2nm〗 SF層21:實(shí)施例1 4的任一者的滲氮層 第2上部銷固層145: Co卯Fe,。 [2nm] 間隔層(全金屬)16: Cu[3nm] 自由層18: Co90Fe10 [4nm] 蓋層19: Cu[lnm]/Ru[10nm] 上電極20。 (實(shí)施例6)
使用以下材料，制備圖2 (a)所示的磁阻效應(yīng)元件。 下電極11
基底層12: Ta[lnm]/Ru[2nm] 釘扎層13: Ir22Mn78 [7nm] 下部銷固層14h Co9oFe1() [4nm] 反強(qiáng)磁性耦合層142: Ru
第1上部銷固層144: Co90Fe10 [2nm] SF層21:實(shí)施例1 4的任一者的滲氮層 第2上部銷固層145: Co9oFe!0 [2nm]
間隔層(CCP-NOL) 16:八1203絕緣層161和Cu電流通路162 自由層18: Co90Fe10 [4nm] 蓋層19: Cu[lnm]/Ru[10nm]
上電極20。 (實(shí)施例7)
使用以下材料，制備圖l (a)所示的磁阻效應(yīng)元件。下電極11
基底層12: Ta[lnm]/Ru[2nm] 釘扎層13: Ir22Mn78 [7nm]
銷固層14: Co90Fe10 [4nm]/ Ru
/ Co卯Fe,o [4nm] 間隔層(CCP-NOL) 16:八1203絕緣層161和Cu電流通路162 下部自由層181: Co90Fe1() [2nm] SF層21:實(shí)施例1 4的任一者的滲氮層 上部自由層182: Co9oFe1() [2nm] 蓋層19: Cu[lnm]/Ru[10nm] 上電極20。 (實(shí)施例8)
使用以下材料，制備圖3 (b)所示的磁阻效應(yīng)元件。 下電極11
基底層12: Ta[lnm]/Ru[2nm] 釘扎層13: Ir22Mn78 [7nm] 下部銷固層141: Co9oFeu) [4nm] 反強(qiáng)磁性耦合層142: Ru
第1上部銷固層144: Co卯Fe,o [2nm] SF層22:實(shí)施例1 4的任一者的滲氮層 第2上部銷固層145: Co9oFe1Q [2nm] 間隔層(全金屬)16: Cu[3nm] 下部自由層181: Co卯Feu)[2nm] SF層21:實(shí)施例1 4的任一者的滲氮層 上部自由層182: Co90Fe，o [2nm] 蓋層19: Cu[lnm]/Ru[10nm] 上電極20。 (實(shí)施例9)
使用以下材料，制備圖3 (a)所示的磁阻效應(yīng)元件。 下電極11
基底層12: Ta[lnm]/Ru[2nm]
24釘扎層13: Ir22Mn78 [7nm] 下部銷固層141: Co9oFe'o [4nm] 反強(qiáng)磁性耦合層142: Ru
第1上部銷固層144: Co卯Fe,。 [2nm] SF層22:實(shí)施例1 4的任一者的滲氮層 第2上部銷固層145: Co90Fe10 [2nm]
間隔層(CCP-NOL) 16:八1203絕緣層161和Cu電流通路162
下部自由層181: Co卯Feu) [2nm]
SF層2h實(shí)施例1 4的任一者的滲氮層
上部自由層182: Co%Fe10 [2nm〗
蓋層19: Cu[lnm]/Ru[10nm]
上電極20。
即使在這些實(shí)施例5 9的磁阻效應(yīng)元件，也可以得到與實(shí)施例1 4的磁阻效應(yīng)元件 同樣的效果。
(磁阻效應(yīng)元件的應(yīng)用)
以下，對于實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的應(yīng)用進(jìn)行說明。
CPP元件的元件阻抗RA從對應(yīng)高密度的角度考慮，優(yōu)選小于等于0.5mQ^m2，更優(yōu) 選小于等于0.3Q^im2。在計(jì)算元件阻抗RA時(shí)，將自旋閥膜的通電部分的有效面積A乘以 CPP元件的阻抗R。這里，元件阻抗R可以直接測定。另一方面，自旋閥膜的通電部分的 有效面積A是依賴于元件結(jié)構(gòu)的值，因此決定該值時(shí)需要注意。
例如，當(dāng)將自旋閥膜的整體作為有效地進(jìn)行傳感檢測的區(qū)域并印刻圖形時(shí)，自旋閥膜 整體的面積形成有效面積A。此時(shí)，從適當(dāng)設(shè)定元件阻抗的角度考慮，自旋閥膜的面積至 少小于等于0.04pm2，在大于等于300Gbpsi的記錄密度下小于等于0.02pm2。
但是，在形成與自旋閥膜相接且比自旋閥膜面積小的下電極U或者上電極20時(shí)，下 電極11或者上電極20的面積形成自旋閥膜的有效面積A。當(dāng)下電極11或者上電極20的 面積不同時(shí)，小的電極的面積形成自旋閥膜的有效面積A。此時(shí)，從適當(dāng)設(shè)定元件阻抗的 角度考慮，小的電極的面積至少小于等于0.04pm2。
自旋閥膜的面積最小處是與上電極20接觸的部分，因此認(rèn)為其寬度是磁軌(卜，、乂夕) 寬度Tw。另外，關(guān)于高度方向，仍然是與上電極20接觸的部分最小，因此認(rèn)為其寬度為 高度長度D。自旋閥膜的有效面積A是A=TwxD。在實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件中，可以使電極間的阻抗R小于等于100Q。該阻抗R是 例如在磁頭萬向接頭組件(HGA)的前端裝配的再生磁頭部的2個(gè)電極墊片間測定的阻抗 值。
當(dāng)在實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件中銷固層14或者自由層18為fee結(jié)構(gòu)時(shí)，優(yōu)選具有fee (111)取向性。當(dāng)銷固層14或者自由層18為bcc結(jié)構(gòu)時(shí)，優(yōu)選具有bcc (110)取向性。 當(dāng)銷固層14或者自由層18為hcp結(jié)構(gòu)時(shí)，優(yōu)選具有hcp (001)取向性或者h(yuǎn)cp (110)取向性。
本發(fā)明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的結(jié)晶取向性以分散角表示優(yōu)選5.0度以內(nèi)，更優(yōu)選 3.5度以內(nèi)，進(jìn)而優(yōu)選3.0度以內(nèi)。這可以作為在由x射線衍射的e-2e測定得到的峰位置
的搖擺曲線的半值寬度來求得。另外，可以作為元件截面的納米衍射斑的位點(diǎn)分散角度來 測得。
雖然也依賴于反強(qiáng)磁性膜的材料，但一般來說在反強(qiáng)磁性膜和銷固層14/間隔層16/自 由層18中點(diǎn)陣間隔不同，因此可以分別算出在各自層中取向的分散角。例如在鉑錳(PtMn) 和銷固層14/間隔層16/自由層18中，多為點(diǎn)陣間隔不同的情況。由于鉑錳(PtMn)是比 較厚的膜，所以對于測定結(jié)晶取向的偏差是合適的材料。對于銷固層14/間隔層16/自由層 18，在銷固層14和自由層18中也有結(jié)晶結(jié)構(gòu)為bcc結(jié)構(gòu)和fcc結(jié)構(gòu)這樣的不同的情況。 此時(shí)，銷固層14和自由層18分別具有不同的分散角。 (磁頭)
圖9表示將實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件組裝在磁頭中的狀態(tài)。圖9是沿相對于與磁記錄 介質(zhì)(沒有圖示)對向的介質(zhì)對向面幾乎平行的方向，將磁阻效應(yīng)元件切割而成的截面圖。 圖IO是將該磁阻效應(yīng)元件沿相對于介質(zhì)對向面ABS垂直的方向切割而成的截面圖。
圖9所示的磁頭具有所謂的硬毗鄰(hard abutted)結(jié)構(gòu)。在磁阻效應(yīng)膜SV的上下分 別設(shè)置下電極11和上電極20。在附圖中，在磁阻效應(yīng)膜的兩側(cè)面疊層設(shè)置偏壓磁場外加 膜41和絕緣膜42。如圖10所示，在磁阻效應(yīng)膜的介質(zhì)對向面設(shè)置有保護(hù)層43。
對于磁阻效應(yīng)膜的讀出電流，如通過在其上下配置的下電極11、上電極20以箭頭標(biāo) 記A所示的那樣，沿相對于膜面大致垂直的方向通電。另外，通過在左右設(shè)置的一對偏壓 磁場外加膜41、 41，在磁阻效應(yīng)膜上外加偏壓磁場。利用該偏壓磁場，控制磁阻效應(yīng)膜的 自由層18的磁各向異性并單磁疇化，由此該磁疇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化，能夠抑制伴隨磁壁的移動(dòng) 所產(chǎn)生的巴克好森噪音(Barkhausen noise)。由于磁阻效應(yīng)膜的S/N比例提高，所以在應(yīng) 用于磁頭時(shí)，可以進(jìn)行高靈敏度的磁性再生。
26(硬盤和磁頭萬向接頭組件)圖IO所示的磁頭可以組裝在記錄再生一體型的磁頭組件中，并搭載在磁記錄裝置上。
閨ii定列舉込禾T依uii豕發(fā)置HM概噴i^諷tf、J重安部ar旦體図。本頭施刀工、tf、j低么—ic豕農(nóng)置i〕u是使用旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)器形式的裝置。在同一附圖中，磁盤200裝配在主軸152上，其通過對來自沒有圖示的驅(qū)動(dòng)裝置控制部的控制信號進(jìn)行響應(yīng)的沒有圖示的電動(dòng)機(jī)，而沿箭頭標(biāo)記A的方向旋轉(zhuǎn)。本實(shí)施方式的磁記錄裝置150也可以具有多個(gè)磁盤200。
進(jìn)行收納在磁盤200中的信息的記錄再生的磁頭滑塊153安裝在薄膜狀的懸架裝置154的前端。磁頭滑塊153將含有上述任一種實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的磁頭搭載在其前端附近。
當(dāng)磁盤200旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁頭滑塊153的介質(zhì)對向面(ABS)以離磁盤200的表面具有規(guī)定的上浮量的方式保持?；蛘咭部梢允腔瑝K與磁盤200接觸這樣的所謂"接觸移動(dòng)型"。
懸架裝置154連接在驅(qū)動(dòng)器臂155的一端。在驅(qū)動(dòng)器臂155的另一端設(shè)置作為直線電動(dòng)機(jī)的一種的音圈電動(dòng)機(jī)156。音圈電動(dòng)機(jī)156由巻繞在繞線管部位的沒有圖示的驅(qū)動(dòng)線圈、和磁電路來構(gòu)成，所述磁電路包含以夾住該線圈的方式對向配置的永久磁石和對向磁軛。
驅(qū)動(dòng)器臂155通過設(shè)置在主軸157的上下2處的沒有圖示的球軸承來保持，利用音圈電動(dòng)機(jī)156可以自由地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)。
圖12是從磁盤一側(cè)觀察從驅(qū)動(dòng)器臂155到前面的磁頭萬向接頭組件的放大立體圖。即，組件160具有驅(qū)動(dòng)器臂155，在驅(qū)動(dòng)器臂155的一端連接懸臂裝置154。在懸臂裝置154的前端安裝具有磁頭的磁頭滑塊153，所述磁頭含有上述任一種實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件。懸臂裝置154具有信號的寫入和讀取用的導(dǎo)線164，該導(dǎo)線164與組裝在磁頭滑塊153中的磁頭的各電極進(jìn)行電連接。圖中165是組件160的電極墊片。
根據(jù)本實(shí)施方式，通過具有含有上述磁阻效應(yīng)元件的磁頭，能夠切實(shí)地讀取以高的記錄密度、以磁的方式記錄在磁盤200上的信息。(磁存儲(chǔ)器)
對于搭載了實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件的磁存儲(chǔ)器進(jìn)行說明。使用實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件，可以實(shí)現(xiàn)例如存儲(chǔ)單元以矩陣狀配置的隨機(jī)存取磁存儲(chǔ)器(MRAM: magnetic random
access memory)等的磁存儲(chǔ)器。
圖13是表示一例實(shí)施方式的磁存儲(chǔ)器矩陣構(gòu)成的圖。該圖表示在將存儲(chǔ)單元配置成陣列狀時(shí)的電路構(gòu)成。為了選擇陣列中的1位而具有列譯碼器350、行譯碼器351，利用位線334和字線332可以專一地選擇開關(guān)晶體管330，用讀出放大器352檢測，由此可以讀出在磁阻效應(yīng)膜中的磁記錄層(自由層)中記錄的位信息。在寫入位信息時(shí)，施加在特定的寫入字線323和位線322中流過寫入電流而產(chǎn)生的磁場。
圖14是表示實(shí)施方式的磁存儲(chǔ)器矩陣構(gòu)成的其他例子的圖。該情況下，分別通過譯碼器360、 361選擇以矩陣狀進(jìn)行配線的位線322和字線334，選擇陣列中的特定的存儲(chǔ)單元。各自的存儲(chǔ)單元具有磁阻效應(yīng)膜SV與二極管D串行連接的結(jié)構(gòu)。這里，二極管D具有在除選擇的磁阻效應(yīng)膜SV以外的存儲(chǔ)單元中防止讀出電流迂回的作用。寫入利用在特定的位線322和寫入字線323中分別流過寫入電流而產(chǎn)生的磁場來進(jìn)行。
圖15是表示本發(fā)明實(shí)施方式的磁存儲(chǔ)器的重要部位的截面圖。圖16是沿圖15的A-A'線的截面圖。這些圖所示的結(jié)構(gòu)對應(yīng)于圖13或者圖14所示的磁存儲(chǔ)器中含有的1位的存儲(chǔ)單元。該存儲(chǔ)單元具有記憶元件部分311和地址選擇用晶體管部分312。
記憶元件部分311具有磁阻效應(yīng)膜SV和與其連接的一對配線322、 324。
另一方面，在地址選擇用晶體管部分312中設(shè)置了通過過孔326及埋入配線328而連接的晶體管330。該晶體管330根據(jù)外加在控制極332上的電壓而進(jìn)行開關(guān)操作，并控制磁阻效應(yīng)膜SV與配線334的電流通路的開關(guān)。
另外，在磁阻效應(yīng)膜SV的下方，寫入配線323沿與配線322幾乎正交的方向設(shè)置。這些寫入配線322、 323可以利用例如鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鉅(Ta)或者含有它們中的任一者的合金來形成。
當(dāng)在具有這種構(gòu)成的存儲(chǔ)單元中，將位信息寫入磁阻效應(yīng)膜SV時(shí)，在配線322、 323中流過寫入脈沖電流，并施加由這些電流感應(yīng)的合成磁場，由此使磁阻效應(yīng)膜的記錄層的磁化適當(dāng)反轉(zhuǎn)。
另外，在讀出位信息時(shí)，使讀出電流通過配線322、含有磁記錄層的磁阻效應(yīng)膜SV和下電極324而流動(dòng)，測定磁阻效應(yīng)膜SV的阻抗值或者阻抗值的變化。
實(shí)施方式的磁存儲(chǔ)器通過使用上述實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件，即使將單元尺寸微細(xì)化，也可以切實(shí)地控制記錄層的磁疇并確保切實(shí)的寫入，并且也能夠切實(shí)地進(jìn)行讀出。(其他實(shí)施方式)
本發(fā)明不限于上述的實(shí)施方式，可以進(jìn)行擴(kuò)張、改變，擴(kuò)張、改變的實(shí)施方式也包含在本發(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)或其他的電極、偏壓外加膜、絕緣膜等的形狀或材質(zhì)，本行業(yè)者通過由公知的范圍適當(dāng)選擇，可以同樣實(shí)施本發(fā)明，并得到同樣的效果。例如在將磁阻效應(yīng)元件適用于再生用磁頭時(shí)，通過在元件的上下賦予磁性屏蔽，可以規(guī)定磁頭的檢測分辨能力。
另外，本發(fā)明的實(shí)施方式不僅可以用于縱向磁記錄方式，對于垂直磁記錄方式的磁頭或者磁再生裝置也是適用的。進(jìn)而，本發(fā)明的磁記錄裝置可以是固定地具有特定記錄介質(zhì)這樣的所謂固定式的裝置，另一方面，也可以是記錄介質(zhì)可以更換的所謂"可拆式"方式的裝置。
除此以外，以本發(fā)明的實(shí)施方式為基礎(chǔ)，本行業(yè)者進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)改變而能夠?qū)嵤┑乃写抛栊?yīng)元件、磁頭、磁記錄裝置和磁存儲(chǔ)器也同樣屬于本發(fā)明的范圍。例如本發(fā)明實(shí)施方式的磁阻效應(yīng)元件能夠用于對應(yīng)于高記錄密度的全部HDD，也可以適用于在民生用途中使用的個(gè)人電腦、攜帶型音樂4見頻播放器、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、攝像機(jī)等的記錄裝置。
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權(quán)利要求
1. 一種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，具有磁阻效應(yīng)膜和用于使電流沿與上述磁阻效應(yīng)膜的膜面垂直的方向流過的一對電極，所述磁阻效應(yīng)膜含有磁化方向?qū)嵸|(zhì)上固定在單向上的磁化固定層、磁化方向根據(jù)外部磁場而變化的磁化自由層、在上述磁化固定層與上述磁化自由層之間設(shè)置的中間層、在上述磁化固定層或者磁化自由層上設(shè)置的蓋層、和在上述磁化固定層中、上述磁化自由層中、上述磁化固定層與上述中間層的界面、上述中間層與上述磁化自由層的界面、以及上述磁化固定層或者磁化自由層與上述蓋層的界面的任一者上設(shè)置的功能層，上述功能層含有包含F(xiàn)e含量大于等于5原子％的金屬材料和氮的層。
2. 如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，上述功能層的結(jié)晶取向的分散 角小于等于5度。
3. 如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，上述磁化固定層或者上述磁化 自由層的結(jié)晶取向的分散角小于等于5度。
4. 如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，上述中間層是含有選自Au、 Ag 和Cu的元素的金屬層。
5. 如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，上述中間層含有絕緣層和貫穿 上述絕緣層的電流通路，所述絕緣層含有氧或者氮。
6. 如權(quán)利要求5所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，上述電流通路含有選自Au、 Ag、 Cu、 Fe、 Co禾卩Ni的元素。
7. —種磁頭萬向接頭組件，其具有如權(quán)利要求l所述的磁阻效應(yīng)元件。
8. —種磁記錄裝置，其具有如權(quán)利要求7所述的磁頭萬向接頭組件。
9. 一種磁阻效應(yīng)元件的制備方法，其是下述的磁阻效應(yīng)元件的制備方法，所述磁阻 效應(yīng)元件具有磁阻效應(yīng)膜和用于使電流沿與上述磁阻效應(yīng)膜的膜面垂直的方向流過的一 對電極，所述磁阻效應(yīng)膜含有磁化方向?qū)嵸|(zhì)上固定在單向上的磁化固定層、磁化方向根據(jù)外部磁場而變化的磁化自由層、在上述磁化固定層與上述磁化自由層之 間設(shè)置的中間層、在上述磁化固定層或者磁化自由層上設(shè)置的蓋層、和在上述磁化固定層中、上述磁化自由層中、上述磁化固定層與上述中間層的界面、上 述中間層與上述磁化自由層的界面、以及上述磁化固定層或者磁化自由層與上述蓋層的界 面的任一者上設(shè)置的功能層，其特征在于，在形成上述功能層時(shí)，將下述2個(gè)工序作為1個(gè)模式，重復(fù)該模式大于 等于2次，所述2個(gè)工序是將Fe含量大于等于5原子％的金屬層成膜的工序和將上述金屬 層暴露在氮氛圍中的工序。
10. 如權(quán)利要求9所述的磁阻效應(yīng)元件的制備方法，其特征在于，在將上述功能層的 膜厚記作T納米、將上述模式的重復(fù)次數(shù)記作N時(shí)，滿足(T/0.5) xx， 這里，x為1 2的常數(shù)，Kl。
11. 如權(quán)利要求9所述的磁阻效應(yīng)元件的制備方法，其特征在于，1次成膜的上述金 屬層的膜厚小于等于lnm。
全文摘要
本發(fā)明提供可實(shí)現(xiàn)更大MR變化率的磁阻效應(yīng)元件。一種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于，具有磁阻效應(yīng)膜和用于使電流沿與上述磁阻效應(yīng)膜的膜面垂直的方向流過的一對電極，所述磁阻效應(yīng)膜含有磁化方向?qū)嵸|(zhì)上固定在單向上的磁化固定層、磁化方向根據(jù)外部磁場而變化的磁化自由層、在上述磁化固定層與上述磁化自由層之間設(shè)置的中間層、在上述磁化固定層或者磁化自由層上設(shè)置的蓋層，和在上述磁化固定層中、上述磁化自由層中、上述磁化固定層與上述中間層的界面、上述中間層與上述磁化自由層的界面、以及上述磁化固定層或者磁化自由層與上述蓋層的界面的任一者上設(shè)置的功能層，上述功能層含有包含F(xiàn)e含量大于等于5原子％的金屬材料和氮的層。
文檔編號G11B5/39GK101499515SQ200910004000
公開日2009年8月5日 申請日期2009年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者村上修一, 湯淺裕美, 福澤英明, 藤慶彥 申請人:株式會(huì)社東芝