專利名稱：磁阻效應元件、磁頭、磁再現(xiàn)裝置、以及磁阻效應元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁阻效應元件，其中電流被垂直于磁阻效應元件的薄膜表面地施加，還涉及磁頭、磁再現(xiàn)裝置以及磁阻效應元件的制造方法。
背景技術(shù)：
當在諸如硬盤的磁記錄/再現(xiàn)裝置中，對存儲在磁記錄介質(zhì)的信息進行再現(xiàn)時使用顯示出GMR效應(Giant Magneto Resistive effect巨磁阻效應)的GMR元件的GMR頭被廣泛采用。
自旋閥型GMR元件由包括磁化固定層、磁化自由層、以及置于兩者之間的中間層的疊層薄膜所構(gòu)成。磁化固定層具有其磁化方向由反鐵磁膜等基本上固定于一個方向的磁性材料薄膜。磁性材料薄膜的磁化方向隨外部磁場(舉例來說，磁記錄介質(zhì)的信號磁場，通常與磁化固定層的磁化平行或反向平行)而變化。
利用縱向偏置機構(gòu)(舉例來說，較好是對其使用鈷-鉑合金或鈷-鉻-鉑合金的磁疇控制薄膜)，將縱向偏置磁場施加到與磁阻效應薄膜的薄膜表面幾乎平行且與磁化固定層的磁化幾乎垂直的磁化自由層上。因此沒有信號磁場的話，磁化固定層的磁化方向和磁化自由層的磁化方向便幾乎垂直，從而可以避免巴克好森(Barkhausen)噪聲。由磁化固定層的磁化和磁化自由層的磁化之間的相對角度變化來產(chǎn)生GMR效應。
此處，GMR元件包括CIP(Current In Plane電流在平面內(nèi))-GMR元件以及CPP(Current Perpendicular to Plane電流垂直平面)-GMR元件。前者通過使傳感電流幾乎在層疊薄膜平面內(nèi)通過來檢測磁阻效應。后者則通過使傳感電流在層疊薄膜的幾乎垂直方向上通過來檢測磁阻效應。
與CIP-GMR元件相比，CPP-GMR元件甚至是在非常小的磁道寬度的條件下也能夠獲得更高輸出，從而易于響應更高記錄密度。CIP-GMR元件中，傳感電流在層疊薄膜的平面內(nèi)通過，從而產(chǎn)生GMR效應的區(qū)域隨記錄磁道寬度變窄而減小，結(jié)果造成電阻變化量ΔR減小。而CPP-GMR元件中，傳感電流按層疊方向通過，從而記錄磁道寬度變窄所造成的電阻變化量ΔR的減小量較小。
另外，對于CIP-GMR元件用于調(diào)整偏置點(bias point)的技術(shù)已經(jīng)公開(參照2000-137906號日本專利公開公報(參考文獻1))。

發(fā)明內(nèi)容
隨著記錄密度的提高，磁頭的尺寸在記錄磁道寬度方向和高度方向上都有很大程度的減小。舉例來說，諸如硬盤這類磁記錄裝置/磁再現(xiàn)裝置中，記錄磁道寬度/高度變?yōu)榻咏?00nm或更小。
這種情況下，將CPP-GMR元件用于磁頭的話，有可能發(fā)生電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)(自旋轉(zhuǎn)換)。電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)過程中，磁化自由層的磁化方向基本上隨電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)而變化，并且磁化自由層對于外部磁場的磁化響應變小。其記錄磁道寬度和高度為100nm或更小的元件(容易形成單一磁疇，因而邊緣磁疇等的影響變小)中很明顯地顯示出這種電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)。
鑒于上述情況，本發(fā)明其目的在于提供一種實現(xiàn)電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)減小的磁阻效應元件、磁頭、磁再現(xiàn)裝置、以及磁阻效應元件的制造方法。
根據(jù)本發(fā)明一個方面的磁阻效應元件，包括包括磁化方向根據(jù)外部磁場而變化的磁化自由層、磁化方向基本上固定于一個方向的磁化固定層、以及置于磁化自由層和磁化固定層之間的中間層的磁阻效應薄膜；置于磁阻效應薄膜的磁化固定層上的磁耦合層；置于磁耦合層上的鐵磁層；置于鐵磁層上的反鐵磁層；在與磁阻效應薄膜的薄膜表面幾乎平行并與磁化固定層的磁化方向幾乎垂直的方向上對磁化自由層施加偏置磁場的偏置機構(gòu)部；以及用以使電流在從磁化固定層至磁化自由層的方向上通過的一對電極，其中偏置點大于50％。
根據(jù)本發(fā)明一個方面的磁阻效應元件的制造方法，包括下列步驟形成一構(gòu)造體，該構(gòu)造體包括包括磁化方向根據(jù)外部磁場而變化的磁化自由層、磁化方向基本上固定于一個方向的磁化固定層、以及置于磁化自由層和磁化固定層之間的中間層的磁阻效應薄膜；置于磁阻效應薄膜的磁化固定層上的磁耦合層；置于磁耦合層上的鐵磁層；置于鐵磁層上的反鐵磁層；存與磁阻效應薄膜的薄膜表面幾乎平行并與磁化固定層的磁化方向幾乎垂直的方向上對磁化自由層施加偏置磁場的偏置機構(gòu)部；以及用以使電流在從磁化固定層至磁化自由層的方向上通過的一對電極；以及對磁化自由層賦予初始磁化方向，該初始磁化方向相對于所述磁化固定層的磁化方向的角度大于或等于100°且小于160°


圖1A是示出本發(fā)明第一實施例的與電流垂直平面型磁阻效應元件其剖面的剖面圖；圖1B是示出本發(fā)明第一實施例的與電流垂直平面型磁阻效應元件的磁化方向從其上表面觀察的示意圖；圖2是說明偏置點的示意圖；圖3A是示出CIP-GMR中電流通過方向和電流所產(chǎn)生的磁場的示意圖；圖3B是示出CPP-GMR中電流通過方向和電流所產(chǎn)生的磁場的示意圖；圖4是示出本發(fā)明第一實施例的電流垂直平面型磁阻效應元件的制作流程的一個例子的流程圖；圖5是示出根據(jù)圖4中流程所制作的電流垂直平面型磁阻效應元件的剖面圖；圖6是示出根據(jù)圖4中流程制作的電流垂直平面型磁阻效應元件的剖視圖；圖7是示出本發(fā)明第二實施例的電流垂直平面型磁阻效應元件剖面的剖面圖；圖8是示出本發(fā)明第二實施例的電流垂直平面型磁阻效應元件的制作流程的一個例子的流程圖；圖9是示出本發(fā)明第三實施例的電流垂直平面型磁阻效應元件剖面的剖面圖；圖10是示出本發(fā)明第三實施例的電流垂直平面型磁阻效應元件的制作流程的一個例子的流程圖；圖11是示范本發(fā)明的一個實施例的磁記錄/再現(xiàn)裝置其示意性結(jié)構(gòu)的主體部分的立體圖；圖12是示出本發(fā)明的一個實施例的磁頭組裝件的放大立體圖；圖13是示出與電流垂直平面型磁阻效應元件的磁場-電阻特性的實例的圖表；圖14是示出與電流垂直平面型磁阻效應元件的磁場-電阻特性的實例的圖表；圖15是示出電流垂直平面型磁阻效應元件的磁場-電阻特性的實例的圖表；圖16是示出電流垂直平面型磁阻效應元件的磁場-電阻特性實例的圖表；圖17是示出電流垂直平面型磁阻效應元件的磁場-電阻特性實例的圖表；
圖18是示出電流垂直平面型磁阻效應元件的磁場-電阻特性實例的圖表；圖19是示出電流垂直平面型磁阻效應元件的磁場-電阻特性實例的圖表；圖20是示出電流垂直平面型磁阻效應元件的磁場-電阻特性實例的圖表；圖21是示出電流垂直平面型磁阻效應元件的磁場-電阻特性實例的圖表。
具體實施例方式
下面參考附圖詳細說明本發(fā)明的各實施例。
圖1A是示出本發(fā)明第一實施例的電流垂直平面型的磁阻效應元件的剖面的剖面圖。該圖示出從面向?qū)钠渖献x取信息的磁記錄介質(zhì)的記錄介質(zhì)對向表面觀察的剖面。電流垂直平面型磁阻效應元件1100檢測以從紙面的正面至背面的方向Dh為正方向的信號磁場H。
電流垂直平面型磁阻效應元件1100包括自旋閥薄膜1200、一對磁疇控制薄膜1120、下部屏蔽層1110、以及上部屏蔽層(upper shield layer)1140。
下部屏蔽層1110和上部屏蔽層1140放置為沿層疊方向以將磁疇控制薄膜1120和自旋閥薄膜1200夾在兩者之間。下部屏蔽層1110和上部屏蔽層1140由NiFe合金等制成，并且分別起到下電極和上電極的作用。
自旋閥薄膜1200由多層薄膜構(gòu)成。也就是說，自旋閥薄膜1200從下部屏蔽層1110側(cè)起依次包括基底層1310、反鐵磁層1320、鐵磁層1344、磁耦合層1343、磁化固定層1342、中間層1341、磁化自由層1340、以及保護層1350。
基底層1310由例如Ta制成，并且改善反鐵磁層1320和鐵磁層1344之間的交換耦合，或改善整個自旋閥薄膜的結(jié)晶化程度。
反鐵磁層1320由例如PtMn合金或X-Mn(注意X是Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Ni、以及Fe中任意一種或兩種甚至更多種元素)合金或Pt-Mn-X1(注意X1是Pd、Ir、Rh、Ru、Au、Ag、Os、Cr、以及Ni其中任意一種或兩種甚至更多種元素)合金形成。通過對上述合金進行熱處理，可以得到產(chǎn)生較大的交換耦合磁場的反鐵磁層1320。另外，反鐵磁層1320可包含Ar、Ne、Xe、以及Kr作為雜質(zhì)(用于諸如濺射的制造過程)。
反鐵磁層1320具有固定(釘住)鐵磁層1344的磁化方向D1的功能。如稍后所述，通過進行熱處理的同時在反鐵磁層1320和鐵磁層1344彼此重疊的狀態(tài)下施加磁場以確定鐵磁層1344的磁化方向D1。
如上所述，鐵磁層1344的磁化方向D1由反鐵磁層1320固定。圖1A中示出為從紙面的正面至背面的方向(與紙面垂直的方向)這種磁化方向D1。但注意，磁化方向D1稍微偏離紙面的垂直方向。
鐵磁層1344、磁耦合層1343、以及磁化固定層1342形成所謂的合成反鐵磁體(SyAF)。也就是說，鐵磁層1344和磁化固定層1342彼此通過磁耦合層1343反鐵磁性地耦合。結(jié)果是，磁化固定層1342的磁化方向D3變成與鐵磁層1344的磁化方向D1相反(反向平行)。
鐵磁層1344和磁化固定層1342通常由包含F(xiàn)e、Co、Ni、以及Mn中的一種元素的材料所構(gòu)成，并且可以具有單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。鐵磁層1344和磁化固定層1342可以具有例如CoFe合金和Cu的層疊結(jié)構(gòu)。
磁耦合層1343可以由諸如銅、金、Ru、Rh、或Ir的非磁性金屬材料所構(gòu)成。
中間層1341主要功能是用以分隔磁化自由層1340和磁化固定層1342兩者間的磁耦合。中間層1341可以由例如具有高電導率的、諸如銅或金的非磁性金屬材料所構(gòu)成?？梢圆捎闷渲蟹胖秒妼w(諸如銅)的絕緣體(Al2O3)作為中間層1341。
磁化自由層1340是其磁化方向隨外部磁場的方向而變化，并且由例如NiFe合金或NiFe合金和CoFe合金的多層薄膜所構(gòu)成。保護層1350是在制造過程中通過淀積以后保護自旋閥薄膜1200的層，并由例如Cu、Ta、或Ru所構(gòu)成。
成對的磁疇控制薄膜1120彼此相向放置從而與磁記錄介質(zhì)的記錄磁道的寬度方向相對應。一對絕緣層1150置于自旋閥薄膜1200和成對的磁疇控制薄膜1120之間。
磁疇控制薄膜1120(較好是采用CoPt合金、CoCrPt合金等)形成于絕緣層1150(較好是采用Al2O3、AlN等)上。
磁疇控制薄膜1120起到縱向偏置機構(gòu)部的作用，并且對磁化自由層1340施加縱向偏置磁場。也就是說，磁疇控制薄膜1120具有磁化方向D4，而縱向偏置磁場的方向由該磁化方向D4確定?？v向偏置磁場的方向通常與磁阻效應薄膜的薄膜表面幾乎平行，并且與磁化固定層1342的磁化方向D3幾乎垂直。
沒有施加外部磁場H時磁化自由層1340的磁化方向Df0(初始磁化方向Df0)由縱向偏置磁場定義。圖1A中，由于磁化方向D4指向紙面的右方，因而初始磁化方向Df0同樣指向右方。另外，磁化方向D4也可以指向紙面的左方。
這里，可以通過相對于與磁疇控制薄膜1120的磁化方向D4相垂直的方向傾斜磁化固定層1342的磁化方向D3(換句話說，鐵磁層1344的磁化方向D1)來調(diào)整偏置點。
圖1B是示出電流垂直平面型磁阻效應元件的磁化方向從上表面觀察的示意圖。示出的是磁疇控制薄膜1120的磁化方向D4和鐵磁層1344的磁化方向D1所形成的角度θ。磁化方向D4和D1平行的話，便保持角度θ＝0°(而反向平行的話，則θ＝180°)。通過使角度θ的絕對值小于90°(較好是小于或等于80°)，可以調(diào)整該偏置點(|θ|＜90°)。
此時，由磁化自由層1340的初始磁化方向Df0所形成的相對于磁化固定層1342的磁化方向D3的角度φ的絕對值大于90°(|θ|＞90°，φ＝180°-θ)。也就是說，磁化方向D3和Df0反向平行。磁化方向D3和Df0之間的反向平行關(guān)系使電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)(magnetization switching)減小。其細節(jié)將稍后說明。
即便是這里使鐵磁層1344的磁化方向D1偏離，由磁疇控制薄膜1120的磁化方向D4和信號磁場H的方向Dh所形成的角度也維持于大約90°。
(偏置點調(diào)整的細節(jié))發(fā)明者進一步的深入研發(fā)，關(guān)注當對層疊薄膜施加縱向偏置磁場時所產(chǎn)生的電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)。結(jié)果是，發(fā)現(xiàn)了用于抑止電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所造成的噪聲的方法。
另外，GMR元件與諸如MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁隨機存取存儲器)的對其應用電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)的器件的不同之處在于，對層疊薄膜施加磁記錄介質(zhì)的信號磁場和磁疇控制薄膜1120的縱向偏置磁場。
A.偏置點在說明偏置點的調(diào)整之前，首先說明偏置點的含義。
圖2是說明該偏置點的示意圖，橫軸示出信號磁場H，縱軸示出電流垂直平面型磁阻效應元件1100的輸出V。
這里，恒定傳感電流I通過電流垂直平面型磁阻效應元件1100改變信號磁場H，并且測定該電流垂直平面型磁阻效應元件的輸出(電壓)V。結(jié)果是得到示出信號磁場H和輸出(電壓)V兩者間關(guān)系的圖表(通常稱為轉(zhuǎn)換曲線)。
信號磁場H改變?yōu)檎蚧蜇撓虻脑?，輸出V在某一范圍內(nèi)變化(圖2中信號磁場從H1變化為H2)。信號磁場H超過該變化范圍的話，輸出V變?yōu)榇篌w恒定的數(shù)值VA或VB。當信號磁場H為0時的輸出取作VC(如圖2中舉例的VC1和VC2所示)。
偏置點BP是當信號磁場H為0時的輸出VC處于(VB-VA)變化范圍內(nèi)的情況下的因數(shù)，并且可以由下列式(1)定義BP＝(VC-VA)/(VB-VA)×100[％]式(1)另外，信號磁場H的正負定義如下。具體來說，與磁化固定層1342的磁化方向D3幾乎反向平行的磁場(與鐵磁層1344的磁化方向D1平行的磁場)是正向磁場(圖1A中的Dh)。而與磁化固定層1342的磁化方向D3幾乎平行的磁場則是負向的磁場。
圖2中當信號磁場H為0時的輸出V是VA、VB、以及((VA+VB)/2)的話，偏置點BP分別變?yōu)?％、100％、以及50％。當信號磁場H為0時的輸出V是VC1和VC2的話，前者情況下的偏置點BP小于50％，而后者情況下的偏置點BP則大于50％。
下面將具體說明用于計算偏置點BP的方法。這里，對電流垂直平面型磁阻效應元件1100加上的電壓(下部屏蔽層1110和上部屏蔽層1140兩者間加上的電壓)設定得足夠低(最好是幾毫伏和最大接近30毫伏之間)。通過將所加上的電壓設定為低電壓，可以得到電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所造成的噪聲很小的輸出，這能夠更為準確地計算偏置點。
另外，為了使電流通過下部屏蔽層1110和上部屏蔽層1140之間，通常將導線與上述各層相連接。因此，有可能因?qū)Ь€而發(fā)生壓降并由此造成加到該導線上的電壓和原本加上的電壓之間存在微小差異。但很多情況下，導線電阻是自旋閥薄膜電阻的1/10或更小，從而可忽略因?qū)Ь€而產(chǎn)生的壓降。這種情況下，即便是采用加到導線上的電壓來替代原本加上的電壓，也沒有問題。
當信號磁場H足夠低(其值為負)時，磁化固定層1342的磁化方向和磁化自由層1340的磁化方向接近平行，從而輸出V與VA同樣低。而當信號磁場H足夠高(其值為正)時，磁化固定層1342的磁化方向和磁化自由層1340的磁化方向接近反向平行，從而輸出V與VB同樣高。當信號磁場H為0時的輸出VC位于VA和VB之間。此時，偏置點BP根據(jù)上述式(1)計算。
當信號磁場H足夠低(其值為負)時的電阻值R取作RA，當信號磁場H足夠高(其值為正)時的電阻值R取作RB，當信號磁場H為0時的電阻值R取作RC。此時，偏置點BP根據(jù)下列式(2)計算BP＝(RC-RA)/(RB-RA)×100[％]式(2)另一種用于計算偏置點BP的方法是在預定的正或負的信號磁場H時測定輸出電壓V(或電阻R)的方法。測定當信號磁場H為0時的輸出VC(或RC)以及當信號磁場是預定的正和負的磁場時的輸出VA和VB(或RA和RB)。這樣，便用式(1)或式(2)計算偏置點BP。
這里，通常使正和負的信號磁場H的絕對值相等。舉例來說，預定的正信號磁場H為+400[Oe]的話，預定的負信號磁場H則設定為-400[Oe]，其絕對值相等，但方向相反。
此時，較為理想的是設定信號磁場H的絕對值以便超出與該輸出的變化范圍相對應的范圍(圖2中的H1至H2)。這一方法不同于用于根據(jù)結(jié)果中的轉(zhuǎn)換曲線計算偏置點BP的方法。
如上所述，可設想兩種方法來決定偏置點BP即式(1)和式(2)，但兩者大體相同，實際上可忽略式(1)和式(2)之間的偏置點BP的差異。但注意，本說明書中，偏置點BP基本上是根據(jù)電阻值R隨信號磁場H而引起的變化(式(2))定義的。B.CIP-GMR和CPP-GMR之間的偏置點含義的差異圖3A和圖3B分別是示出CIP-GMR和CPP-GMR中電流通過方向和電流所產(chǎn)生的磁場的示意圖。這里，為了便于理解，假設CIP-GMR和CPP-GMR分別具有由層1至層3這3層薄膜所構(gòu)成的磁阻薄膜。
CIP-GMR中，電流按與層1至層3相平行的方向流動，從而流經(jīng)層1至層3的電流I1至I3的幅度隨層1至層3當中的電阻系數(shù)等的差異而有所不同。因而，根據(jù)螺旋法則，電流I1、I2、以及I3所產(chǎn)生的磁場H1(層1)、H2(層2)、以及H3(層3)互不相同。
因此，CIP-GMR中偏置點BP隨磁場H1、H2、以及H3之間的平衡而改變，對磁場H1、H2、以及H3進行平衡很重要。另外，參考文獻1披露了用于此用途的技術(shù)。
另一方面，CPP-GMR中，電流是按與層1至層3相垂直的方向流動(跨越層1至層3)，從而流經(jīng)層1至層3的電流基本上相等。因此，流經(jīng)層1至層3的電流所產(chǎn)生的磁場基本上相等。因此，CPP-GMR中，與CIP-GMR情形有所不同，不會發(fā)生偏置點隨各層中所產(chǎn)生的磁場之間的差異而引起的改變。
電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)是通過引起電流的導電電子的自旋角動量從而磁化在磁化固定層1342和磁化自由層1340之間轉(zhuǎn)移、從而使得磁化自由層1340的磁化方向反向的現(xiàn)象。
*CPP-GMR的情況下面說明CPP-GMR中的電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)。
假設磁化固定層1342的磁化方向和磁化自由層1340的磁化方向反向平行的情況。該情況下，通過使電流從磁化自由層1340通過至磁化固定層1342，磁化自由層1340的磁化反向，從而磁阻減小。下面說明其原因。
該情況下，電子流動的方向?qū)儆谂c電流相反的方向，從磁化固定層1342至磁化自由層1340。當電子通過磁化固定層1342時，電子按與磁化固定層1342的磁化相同的方向極化(自旋角動量極化)。極化的電子通過中間層1341并進入磁化自由層1340。此時，自旋角動量在導電電子和磁化自由層1340之間轉(zhuǎn)移。結(jié)果是磁化自由層1340的磁化方向反向，從而與磁化固定層1342的磁化方向相同。
如上所述，由于電子從磁化固定層1342流至磁化自由層1340，因而磁化自由層1340的磁化方向與磁化固定層1342的磁化方向相平行。
另一方面，假設磁化固定層1342的磁化方向和磁化自由層1340的磁化方向相平行的情況。該情況下，通過使電流從磁化固定層1342通過至磁化自由層1340，磁化自由層1340的磁化反向，從而磁阻增大。下面說明其原因。
該情況下，電子流動的方向是從磁化自由層1340至磁化固定層1342的方向。磁化自由層1340中的導電電子按與磁化自由層1340的磁化相同的方向極化。此時，不是所有的導電電子都極化，也存在未極化的導電電子。未極化的電子通過磁化固定層1342和中間層1341之間界面的反射，而返回至磁化自由層1340。自旋角動量在已經(jīng)返回至磁化自由層1340的導電電子和磁化自由層1340的磁化之間轉(zhuǎn)移。結(jié)果是磁化自由層1340的磁化方向反向，從而與磁化固定層1342的磁化方向相反。
如上所述，由于電子從磁化自由層1340流至磁化固定層1342，并由兩者之間的邊界反射，磁化自由層1340的磁化方向與磁化固定層1342的磁化方向變?yōu)榉聪蚱叫?。但注意，該?jīng)過反射的電子所引起的磁化方向的反向所具有的影響小于從磁化固定層1342流入至磁化自由層1340的電子所引起的磁化方向的反向。這是因為，與通過邊界的電子相比，通過該邊界反射的電子的比例不總是較大。
如上所述，電子的流動設定為從磁化固定層1342至磁化自由層1340的方向(a)的話，往往引起電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)。反之，電子的流動設定為從磁化自由層1340至磁化固定層1342的方向(b)的話，相對來說往往不會引起電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)。
也就是說，通過將電子的流動(b)設定為從磁化自由層1340至磁化固定層1342的方向(電流的流向設定為從磁化固定層1342至磁化自由層1340的方向)，能夠減小電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所造成的噪聲。如稍后所說明的那樣，本實施例中除了上述手段以外，還通過調(diào)整偏置點來實現(xiàn)電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所造成的噪聲進一步減小。
*CIP-GMR的情況CIP-GMR中，不需要考慮電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)。也就是說，CIP-GMR中，電流集中于具有高電導率的任何層中(通常由Cu形成的中間層)。因此，不會發(fā)生各層之間自旋角動量的轉(zhuǎn)移。
如上所述，電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)可以說是CPP-GMR中的特有現(xiàn)象。
C.偏置點調(diào)整如上所述，通過將電流方向設定為從磁化固定層1342至磁化自由層1340的方向，能夠減小電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所造成的噪聲。結(jié)果表明，除此以外，要避免電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)，調(diào)整偏置點BP很重要。也就是說，通過調(diào)整偏置點BP，能夠進一步減小電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所造成的噪聲。
為了以高靈敏度對正向和負向磁場進行測定，通常將偏置點BP設定為50％。但通過將偏置點BP設定為大于50％(最好使偏置點大于或等于55％但小于或等于80％)，能夠減小電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)。
*偏置點和磁化方向的關(guān)系偏置點小于50％意味著外部磁場H中的磁阻變化在正方向上較大。偏置點大于50％意味著外部磁場H中的磁阻變化在反方向上較大。如這里所說明的那樣，偏置點是否大于50％與磁阻有很大變化的的外部磁場H的方向是負還是正方向相對應。
偏置點BP的數(shù)值取決于磁化固定層1342的磁化方向D3和磁化自由層1340的初始磁化方向Df0之間的角度關(guān)系。磁化方向D3和Df0所形成的角度φ(參照圖1B)為90°的話，偏置點BP為50％。角度φ小于90°的話，偏置點便小于50％。角度φ大于90°的話，偏置點便大于50％。
下面將說明偏置點BP如上所述隨磁化方向D3和Df0所形成的角度φ而變化的原因。說明之前，將首先說明外部磁場H和磁化自由層1340的磁化方向Df之間的關(guān)系。
磁化自由層1340的磁化方向Df因外部磁場H而從初始磁化方向Df0變化而來，并因此磁阻也有所變化。此時，磁化自由層1340的磁化方向隨外部磁場H的正或負而左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。當磁化方向Df左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)而到達與磁化固定層1342的磁化方向D3平行或反向平行的狀態(tài)時，進一步的轉(zhuǎn)動受到限制。磁化自由層1340的磁化方向Df相對于初始磁化方向Df0在小于±90°的范圍內(nèi)活動，從而磁阻變化。
當磁化方向D3和Df0所形成的角度φ為90°時，磁化方向Df的變化范圍相對于初始磁化方向Df0在正負范圍(左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn))之間近乎對稱。也就是說，外部磁場的絕對值相等的話，即便是正負號不同(一個為正一個為負)但磁阻變化量大體相等。這意味著偏置點為50％。具體來說，當磁化方向D3和Df0所形成的角度φ為90°時，磁化方向Df的變化范圍在正負角度之間對稱，并且偏置點變?yōu)?0％。
磁化方向D3和Df0所形成的角度φ偏離90°的話，磁化方向Df變化范圍的正負對稱度降低，并且偏置點偏離50％。磁化方向D3和Df0所形成的角度φ大于90°的話，偏置點BP大于50％。磁化方向D3和Df0所形成的角度φ和偏置點BP之間的關(guān)系可以如上面所述。
*磁化方向和電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)之間的關(guān)系如上所述，本實施例中，傳感電流從磁化固定層1342通過至磁化自由層1340。所以，電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)動作使得磁化固定層1342的磁化方向D3和磁化自由層1340的磁化方向Df反向平行。也就是說，磁化自由層1340的磁化方向Df與磁化固定層1342的磁化方向D3相平行的話，往往會發(fā)生電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)。另一方面，磁化自由層1340的磁化方向Df與磁化固定層1342的磁化方向D3反向平行的話，不會發(fā)生電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)。
如上所述，發(fā)生電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)的可能性取決于是否磁化自由層1340的磁化方向Df和磁化固定層1342的磁化方向D3接近平行或反向平行(換句話說，由此所形成的角度是大于或小于90°)。磁化方向Df和D3所形成的角度φ的絕對值大于90°的話，發(fā)生電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)的可能性便會減小。
*偏置點和電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)兩者間的關(guān)系如上所述，偏置點大于50％意味著磁化固定層1342的磁化方向D3和磁化自由層1340的初始磁化方向Df0所形成的角度φ大于90°。該情況意味著磁化自由層1340的磁化方向Df偏離至與磁化固定層1342的磁化方向D3反向平行側(cè)，由此使得電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)能夠減小。
如上所述，外部磁場H改變的話，磁化自由層1340的磁化方向Df從初始磁化方向Df0變化而來。所以，磁化自由層1340的磁化方向Df和磁化固定層1342的磁化方向D3的反向平行關(guān)系有可能由于外部磁場H的施加而被損毀。但施加外部磁場H之前磁化自由層1340的磁化方向Df即初始磁化方向Df0是用于減小電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)的主導因素。
下面說明用于調(diào)整偏置點BP的方法?？梢岳么呕杂蓪?340的初始磁化方向Df0調(diào)整偏置點BP。具體來說，使磁化固定層1342的磁化方向D3和磁化自由層1340的初始磁化方向Df0所形成的角度φ大于90°(較好是大于或等于100°)但小于160°(90°＜|φ|＜160°)。結(jié)果是偏置點大于50％。可采用多種方法用于該調(diào)整。
(1)通過磁化固定層1342和鐵磁層1344的磁厚度調(diào)整能夠通過控制磁化固定層1342和鐵磁層1344的磁厚度來調(diào)整偏置點BP。
也就是說，進行控制使得磁化固定層1342的飽和磁化Ms1和厚度t1以及鐵磁層1344的飽和磁化Ms2和厚度t2滿足下列式(3)1.2≤(Ms1×t1)/(Ms2×t2)＜5式(3)
這里，諸如鐵磁層1344、磁耦合層1343、以及磁化固定層1342的磁性層中，飽和磁化和厚度的乘積是磁厚度。
如上所述，鐵磁層1344和磁化固定層1342彼此通過磁耦合層1343以反鐵磁方式耦合，形成所謂的合成反鐵磁體(SyAF)。該情況下，可認為理想的是利用“Ms1×t1＝Ms2×t2”來基本上抵消鐵磁層1344所泄漏的磁場和磁化固定層1342所泄漏的磁場，由此得到50％的偏置點。
但已經(jīng)知道“1.2≤(Ms1×t1)/(Ms2×t2)”能夠抑制電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所造成的噪聲。該情況下，鐵磁層1344的泄漏磁場相對較大，并且磁化固定層1342的磁化方向D3和磁化自由層1340的初始磁化方向Df0所形成的角度φ大于90°(較好是φ大于或等于100°)。結(jié)果是，偏置點變?yōu)榇笥?0％。
當磁化固定層1342的磁厚度Ms1×t1大于鐵磁層1344的磁厚度Ms2×t2時，磁化固定層1342的泄漏磁場變得相對較大。該情況下的泄漏磁場的方向在磁化自由層1340中變?yōu)榕c磁化固定層1342的磁化方向D3相反。因此，使磁性厚度Ms1×t1大于磁性厚度Ms2×t2的話，偏置點變?yōu)榇笥?0％。為了使偏置點基本上大于50％，給定“1.2≤(Ms1×t1)/(Ms2×t2)”。
另一方面，當鐵磁層1344的泄漏磁場與外部磁場或介質(zhì)的磁場相比太大時，對于外部磁場(介質(zhì)的磁場)的靈敏度(輸出的變化)降低。該情況下，偏置點太大(舉例來說，達到或接近100％)。為了避免該情況，“(Ms1×t1)/(Ms2×t2)＜5”較為理想。
為了使磁化固定層1342和鐵磁層1344的磁厚度互不相同，至少需要控制各自的厚度或者成分。舉例來說，使用不同的材料用于磁化固定層1342和鐵磁層1344。作為一例，磁化固定層1342和鐵磁層1344其中之一采用Co80Fe20或Co，而不是采用Co90Fe10。
(2)通過耦合磁化自由層1340和磁化固定層1342之間的磁場進行調(diào)整偏置點可以通過加強磁化自由層1340和磁化固定層1342之間的層間耦合磁場并且減弱縱向偏置磁場來控制偏置點。舉例來說，可以通過使層間耦合磁場大于150[Oe]并使磁疇控制薄膜1120其通常是3.0[memu/cm2]的磁場厚度減小到1.5[memu/cm2]，使得偏置點BP大于50％。
通過加強層間耦合磁場，磁化自由層1340的磁化和磁化固定層1342的磁化很容易變?yōu)榉聪蚱叫校瑥亩沟闷命cBP大于50％。此外，通過使磁疇控制薄膜1120的磁厚度小于層間耦合磁場，可以使偏置點BP大于50％(使磁疇控制薄膜1120的磁厚度與層間耦合磁場相比大得多的話，偏置點BP更為接近50％)。
(3)通過鐵磁層1344的磁化方向進行調(diào)整如上所述，可以通過使鐵磁層1344的磁化方向D1相對于磁疇控制薄膜1120的磁化方向D4所形成的角度的絕對值小于90°(較好是小于或等于80°)，使得偏置點BP大于50％。
(4)上述方法(1)至方法(3)的組合可以彼此組合來使用上述方法(1)至方法(3)。舉例來說，可以通過既控制(1)磁化固定層1342和鐵磁層1344的磁厚度又控制(3)鐵磁層1344的磁化方向，來調(diào)整偏置點BP。
即便是組合方法(1)至方法(3)，也使得磁化自由層1340的初始磁化方向Df0相對于磁化固定層1342的磁化方向D3所形成的角度φ的絕對值大于90°。而且，多種方法的組合能夠減小各因素間的變化，從而與采用其中一種方法相比效果有所改善。
(磁阻效應元件1100的制作)下面說明用于制作電流垂直平面型磁阻效應元件1100的方法。
圖4是示出電流垂直平面型磁阻效應元件1100制作過程的實例的流程圖。圖5和圖6是示出圖4中過程所制作的電流垂直平面型磁阻效應元件1100的剖面圖。
(1)形成自旋閥薄膜1200(步驟S11)自旋閥薄膜1200形成于未圖示的襯底上。也就是說，淀積有下部屏蔽層1110、基底層1310、反鐵磁層1320、鐵磁層1344、磁耦合層1343、磁化固定層1342、中間層1341、以及磁化自由層1340(參照圖5)。另外，圖5示出增加稍后說明的抗蝕層1360的狀態(tài)。
這里，通過在形成自旋閥薄膜1200時適當調(diào)整磁化固定層1342和鐵磁層1344的材料和厚度，可以滿足上述式(3)，由此可調(diào)整偏置點BP。
可以采用例如濺射裝置的淀積用于形成相應各層。濺射淀積中，可以采用DC磁控濺射法、RF磁控濺射法、離子束濺射法、長拋濺射法、以及準直濺射法中的任意一種，或其組合而成的濺射方法。
(2)對反鐵磁層1320賦予交換耦合磁場(步驟S12)對反鐵磁層1320賦予交換耦合磁場(磁各向異性)。具體來說，通過施加磁場和熱處理的組合能夠賦予交換耦合磁場。也就是說，在將反鐵磁層1320熱處理至高于截止溫度的溫度T的狀態(tài)下施加磁場H，然后使反鐵磁層1320冷卻。
截止溫度是指反鐵磁層1320其磁各向異性消失的溫度(換句話說，反鐵磁層1320和鐵磁層1344兩者間的交換耦合截止的溫度)。因此，通過將溫度T設定為高于截止溫度的溫度，反鐵磁層1320的磁各向異性暫時消失。此后，當反鐵磁層1320冷卻至低于截止溫度的溫度時，隨所施加的磁場對反鐵磁層1320賦予交換耦合磁場(磁各向異性)。
另外，交換耦合磁場的量級隨薄膜中晶粒大小分布以及淀積時的真空度而有所不同。PtMs中，交換耦合磁場隨厚度的增加而增大，而IrMn中，交換耦合磁場則隨厚度增加而減小。
此時，反鐵磁層1320受到熱處理時往往使磁場H的方向設定為與磁疇控制薄膜1120的磁化方向相垂直。該情況下，鐵磁層1344的磁化方向D1相對于磁疇控制薄膜1120的磁化方向D4的角度θ變?yōu)?0°。結(jié)果是，偏置點變?yōu)?0％，從而元件的靈敏度提高。
與之相反，假設在反鐵磁層1320受到熱處理時磁場H的方向相對于磁疇控制薄膜1120的磁化方向D4大于10°但小于或等于80°。結(jié)果是，鐵磁層1344的磁化方向D1相對于磁疇控制薄膜1120的磁化方向D4的角度θ大于10°但小于或等于80°。該情況下，偏置點變?yōu)榇笥?0％。
(3)自旋閥薄膜1200側(cè)面的離子研磨(步驟S13)所形成的自旋閥薄膜1200上形成了抗蝕層1360之后(參照圖5)，通過離子研磨將其側(cè)面消除直至基底層1310部分露出為止(參照圖6)。
(4)形成磁疇控制薄膜1120和上部屏蔽層1140(步驟S14)在經(jīng)過消除步驟之后的自旋閥薄膜1200的側(cè)面淀積有絕緣層1150和磁疇控制薄膜1120。接著，在消除了抗蝕層1360后，淀積上部屏蔽層1140(參照圖1)。
(第二實施例)圖7是示出本發(fā)明第二實施例的電流垂直平面型磁阻效應元件2100剖面的剖面圖。
本實施例的電流垂直平面型磁阻效應元件2100與第一實施例的電流垂直平面型磁阻效應元件1100不同之處是下列(1)和(2)兩方面。具體來說，(1)放置有絕緣體1130來替代磁疇控制薄膜1120和絕緣層1150。此外，(2)保護層1350和上部屏蔽層1140之間放置有交換偏置層1345和上電極層1346。
另外，交換偏置層1345和保護層1350之間可以放置由鐵磁材料所制成的鐵磁層或者由軟磁材料或非磁性材料所制成的層。
該實施例中，不是依靠第一實施例的磁疇控制薄膜1120而是利用交換偏置層1345產(chǎn)生縱向偏置磁場。具體來說，交換偏置層1345依靠交換耦合磁場(其起到縱向偏置機構(gòu)部的作用)對磁化自由層1340施加縱向偏置磁場。
此時的縱向偏置磁場的方向與磁阻效應薄膜(自旋閥薄膜1200)的薄膜表面幾乎平行，并且與磁化固定層1342的磁化方向幾乎垂直。通過使該角度偏離垂直角度，可以調(diào)整偏置點BP。另外，稍后說明其細節(jié)。
隨著交換偏置層1345定位于自旋閥薄膜1200上，放置了上電極層1346，由此對自旋閥薄膜1200加上電壓。也就是說，該實施例中，在上電極層1346和下部屏蔽層1110之間加上電壓，由此傳感電流流過自旋閥薄膜1200(上部屏蔽層1140同樣并不起到上電極的作用)。
與反鐵磁層1320同樣，交換偏置層1345可以由PtMn合金或X-Mn(注意X是Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Ni、以及Fe中任意一種或兩種甚至更多種元素)合金或Pt-Mn-X1(注意X1是Pd、Ir、Rh、Ru、Au、Ag、Os、Cr、以及Ni中任意一種或兩種甚至更多種元素)合金形成。另外，交換偏置層1345可包含Ar、Ne、Xe、以及Kr作為雜質(zhì)(用于諸如濺射這類制造過程)。
(偏置點調(diào)整)下面說明用于對第二實施例的偏置點進行調(diào)整的方法。
如上所述，在交換偏置層1345中反鐵磁性地產(chǎn)生磁序的磁矩的角度與磁化固定層1342的磁化方向D3基本上近乎垂直。通過使該角度偏離垂直角度，可以調(diào)整偏置點BP。
磁化自由層1340的磁化方向隨交換偏置層1345的交換耦合磁場而變化。交換偏置層1345的交換耦合磁場的方向與熱處理期間對交換偏置層1345施加的磁場的方向相平行。所以，熱處理期間對交換偏置層1345施加的磁場的方向偏離與磁化固定層1342的磁化方向幾乎垂直的方向的話，磁化自由層1340的初始磁化方向Df0同樣偏離與磁化固定層1342的磁化方向幾乎垂直的方向。結(jié)果是偏置點BP受到調(diào)整。
該方法(用于依靠交換偏置層1345和磁化固定層1342的磁化方向調(diào)整偏置點的方法)與第一實施例中所說明的方法(1)至方法(4)當中的方法(3)相對應。本實施例中，也可采用第一實施例中所說明的方法(1)、方法(2)、或方法(4)替代該方法。
(磁阻效應元件2100的制作)下面說明電流垂直平面型磁阻效應元件2100的制作方法。
圖8是示出電流垂直平面型磁阻效應元件2100其一例制作過程的流程圖。
(1)形成自旋閥薄膜1200(步驟S21)步驟S21與第一實施例的步驟S11基本相同，因而具體說明省略。
(2)對反鐵磁層1320賦予交換耦合磁場(步驟S22)
對反鐵磁層1320賦予交換耦合磁場(磁各向異性)。具體來說，通過結(jié)合磁場的施加和熱處理能夠賦予交換耦合磁場。也就是說，在反鐵磁層1320經(jīng)過熱處理達到高于第一截止溫度的第一溫度T1的狀態(tài)下施加第一磁場H1，然后使反鐵磁層1320冷卻。
另外，在形成交換偏置層1345之前進行步驟S22(步驟S24)。進行該步驟用以防止交換偏置層1345中發(fā)生加熱所造成的元素擴散，并且防止交換耦合磁場降低。第一截止溫度是指反鐵磁層1320的磁各向異性消失的溫度(換句話說，反鐵磁層1320和鐵磁層1344之間的交換耦合截止的溫度)。因此，通過將第一溫度T設定為高于第一截止溫度的溫度，反鐵磁層1320的磁各向異性暫時消失。此后，當反鐵磁層1320冷卻至低于第一截止溫度的溫度時，隨所施加的磁場對反鐵磁層1320賦予交換耦合磁場(磁各向異性)。
(3)自旋閥薄膜1200側(cè)面的離子研磨(步驟S23)所形成的自旋閥薄膜1200上形成了抗蝕層之后，通過離子研磨將其側(cè)面消除直至基底層1310部分露出為止。
(4)形成交換偏置層1345和上部屏蔽層1140(步驟S24)在經(jīng)過消除步驟之后的自旋閥薄膜1200的側(cè)面形成有絕緣體1130。接著，在消除了抗蝕層后，淀積交換偏置層1345、上電極層1346、以及上部屏蔽層1140(參照圖7)。
(5)對交換偏置層1345賦予交換耦合磁場(步驟S25)對交換偏置層1345賦予磁各向異性。也就是說，在交換偏置層1345經(jīng)過熱處理達到高于第二截止溫度的第二溫度T2(低于第一溫度)的狀態(tài)下施加第二磁場H2，然后使交換偏置層1345冷卻。
為了對反鐵磁層1320和交換偏置層1345賦予不同的磁各向異性，采用具有不同截止溫度的材料用于反鐵磁層1320和交換偏置層1345。進行熱處理的同時施加磁場，并從具有較高截止溫度的材料開始按順序進行熱處理。舉例來說，選擇PtMn為反鐵磁層1320的構(gòu)成材料，選擇IrMn為交換偏置層1345的構(gòu)成材料。該情況下，交換偏置層1345的第二截止溫度低于反鐵磁層1320的第一截止溫度。
另外，交換耦合磁場的量級隨薄膜中晶粒大小分布以及淀積時的真空度而有所不同。PtMs中，交換耦合磁場隨厚度的增加而增大，而IrMn中，交換耦合磁場則隨厚度增加而減小。
這里，往往使得對交換偏置層1345進行熱處理時的磁場H2的方向與對反鐵磁層1320進行熱處理時的磁化方向H1相垂直。結(jié)果是，偏置點變?yōu)?0％，并且可以確保磁阻效應元件相對于正負磁場的靈敏度。
與此相反，通過使對交換偏置層1345施加的磁場H2的方向偏離與對反鐵磁層1320施加的磁場H1的方向相垂直的方向，可以調(diào)整偏置點。具體來說，使得對反鐵磁層1320進行熱處理時的磁場H1的方向相對于對交換偏置層1345進行熱處理時的磁場H2的方向大于或等于100°但小于160°。結(jié)果是，可以使偏置點BP大于50％。
(第二實施例的修改例)作為縱向偏置機構(gòu)，電流垂直平面型磁阻效應元件可以包括交換偏置層1345和磁疇控制薄膜1120兩者。
同樣，在該情況下可以通過使交換偏置層1345的磁矩的角度偏離來調(diào)整偏置點BP。
(第三實施例)圖9是示出本發(fā)明第三實施例的電流垂直平面型磁阻效應元件3100的剖面的剖面圖。
本實施例的磁阻效應元件3100中，自旋閥薄膜3200包括分隔層1347和層疊偏置層1348。也就是說，磁阻效應元件3100包括分隔層1347和層疊偏置層1348以替代第二實施例中的交換偏置層1345和上電極層1346。
本實施例中，分隔層1347和層疊偏置層1348起到對磁化自由層1340施加縱向偏置磁場的縱向偏置機構(gòu)部的作用。
分隔層1347用于防止賦予磁各向異性時所使用的熱量造成的元素擴散。
層疊偏置層1348由磁化的硬磁材料(作為一例理想材料是CoPt合金或CoCrPt合金)制成。
層疊偏置層1348具有磁化方向D6，縱向偏置磁場的方向由磁化方向D6確定。圖9中，磁化方向D6指向紙面的右方。相反，磁化方向D6可以指向紙面的左方。層疊偏置層1348和磁化自由層1340的各端部間發(fā)生靜磁耦合M1和M2，從而產(chǎn)生磁化自由層1340的初始磁化方向Df0。該初始磁化方向Df0與層疊偏置層1348的磁化方向D6幾乎反向平行。
此時，通常使初始磁化方向Df0與磁阻效應薄膜的薄膜表面幾乎平行，并且與磁化固定層1342的磁化方向幾乎垂直。也就是說，層疊偏置層1348中產(chǎn)生反鐵磁磁序的磁化方向D6通常與磁化固定層1342的磁化方向D3幾乎垂直。
可以通過使層疊偏置層1348的磁化方向D6(與磁化自由層1340的初始磁化方向Df0幾乎反向平行)和磁化固定層1342的磁化方向D3所形成的角度θ偏離垂直角度來調(diào)整偏置點BP。也就是說，可以通過使角度θ的絕對值大于10°但小于70°(10°＜|θ|＜70°)，可以使偏置點大于50％。另外，磁化方向D6和D3平行的話，保持角度θ＝0°(兩者反向平行的話，θ＝180°)。
該方法(用于依靠層疊偏置層1348和磁化固定層1342的磁化方向調(diào)整偏置點的方法)與第一實施例中說明的方法(1)至方法(4)中的方法(3)相對應。本實施例中，也可以采用第一實施例中說明的方法(1)、方法(2)、或方法(4)來替代該方法。
(磁阻效應元件3100的制作)下面說明電流垂直平面型磁阻效應元件3100的制作方法。
圖10是示出電流垂直平面型磁阻效應元件3100制作流程的實例的流程圖。
(1)形成自旋閥薄膜3200，刻蝕其側(cè)面，形成磁疇控制薄膜1120以及上部屏蔽層1140(步驟S31至S33)自旋閥薄膜3200形成于未圖示的襯底上。也就是說，除了淀積第一實施例中的下部屏蔽層1110至上部屏蔽層1140以外，還淀積了分隔層1347和層疊偏置層1348。
步驟S31至S33與第一實施例中的步驟S11、S13、以及S14在其他方面基本相同，因而具體說明從略。
(2)對反鐵磁層1320賦予交換耦合磁場(步驟S34)對反鐵磁層1320賦予交換耦合磁場(磁各向異性)。具體來說，通過施加磁場和熱處理的組合能夠賦予交換耦合磁場。也就是說，在反鐵磁層1320經(jīng)過熱處理達到高于第一截止溫度的第一溫度T1的狀態(tài)下施加磁場H1，然后使反鐵磁層1320冷卻。
(3)對層疊偏置層1348賦予交換耦合磁場對層疊偏置層1348賦予磁各向異性。也就是說，在層疊偏置層1348經(jīng)過熱處理達到高于第二截止溫度的第二溫度T2(低于第一溫度)的狀態(tài)下施加第二磁場H2，然后使交換偏置層1345冷卻。
通過使對層疊偏置層1348施加的磁場H2的方向偏離與反鐵磁層1320施加的磁場H1的方向相垂直的方向，可以調(diào)整偏置點。具體來說，使得對反鐵磁層1320進行熱處理時的磁場H1的方向相對于對層疊偏置層1348進行熱處理時的磁場H2的方向大于或等于100°但小于160°。結(jié)果是可使偏置點BP大于50％。
(第三實施例的修改例)作為縱向偏置機構(gòu)，電流垂直平面型磁阻效應元件可以包括層疊偏置層1348和磁疇控制薄膜1120。
同樣，該情況下可以通過使層疊偏置層1348的磁矩的角度偏離來調(diào)整偏置點BP。
另外，上述第一至第三實施例的電流垂直平面型磁阻效應元件都是下部型磁阻效應元件，其中從下部起依次層疊磁化固定層1342、中間層1341、以及磁化自由層1340。除此以外還可使用其中從下部起依次層疊磁化自由層1340、中間層1341、以及磁化固定層1342的上部型磁阻效應元件。
(磁再現(xiàn)裝置)接下來說明配備有本發(fā)明任一實施例的磁阻效應元件的磁再現(xiàn)裝置。本發(fā)明任一實施例的磁阻效應元件，舉例來說，結(jié)合于記錄/再現(xiàn)一體型磁頭組裝件中，并且能夠安裝于記錄/再現(xiàn)裝置中。
圖11是示范本發(fā)明的一個實施例的磁記錄/再現(xiàn)裝置其示意性結(jié)構(gòu)的主體部分的立體圖。磁記錄/再現(xiàn)裝置150是使用旋轉(zhuǎn)致動器型的裝置。該圖中，磁記錄介質(zhì)盤200安裝于主軸152上，并且通過響應未圖示的驅(qū)動單元控制部的控制信號的未圖示電動機按箭頭A方向旋轉(zhuǎn)。
磁記錄/再現(xiàn)裝置150可以包括多個磁記錄介質(zhì)盤。磁記錄介質(zhì)盤要么是其中記錄位的磁化方向與磁盤表面幾乎平行的“平面內(nèi)記錄系統(tǒng)”，要么是其中記錄位的磁化方向與磁盤表面幾乎垂直的“垂直記錄系統(tǒng)”。
記錄/再現(xiàn)磁記錄介質(zhì)盤中所存儲的信息的磁頭滑動體153附接于薄膜懸浮體154的前端。這里磁頭滑動體153在其頂端配備有例如上述任一實施例的磁阻效應元件或磁頭。
磁記錄介質(zhì)盤旋轉(zhuǎn)的話，磁頭滑動體153的空氣支撐表面(ABS)保持相對于磁記錄介質(zhì)盤的表面具有一預定飛行高度。另外，該滑動體也可以為與磁記錄介質(zhì)盤相接觸的所謂“接觸行進式”。
薄膜懸浮體154與具有用于保持未圖示的驅(qū)動線圈的繞線管部分的動作臂155的一端。屬于一種線性電機的聲音線圈電機156設置于該動作臂155的另一端。聲音線圈電機156由卷繞于動作臂155的繞線管部分上的未圖示的驅(qū)動線圈、以及包括彼此相向配置且兩者之間具有線圈和相向的磁軛的永磁體的電路所構(gòu)成。
動作臂155由設置于主軸157上方和下方的未圖示的兩個球形軸承保持，并且可以利用聲音線圈電機156自由旋轉(zhuǎn)和滑動。
圖12是示出本發(fā)明實施例的磁頭組裝件的放大立體圖。該圖示出從磁盤一側(cè)觀察的位于動作臂155前部的磁頭組裝件。
磁頭組裝件160包括具有例如用于保持驅(qū)動線圈的繞線管部分等的動作臂155，以及與動作臂155其中一端連接的懸浮體154。包括諸如上述這類本發(fā)明的磁阻效應元件的磁頭滑動體153附接于懸浮體154的前端。
懸浮體154具有用于讀寫信號的引線164，而該引線164與磁頭滑動體153中結(jié)合的磁頭的各個電極電連接。該圖中，標號165標注磁頭組裝件160的電極片。
通過包括諸如上述這類磁阻效應元件，可以準確讀取與現(xiàn)有技術(shù)相比以較高記錄密度以磁方式記錄于磁記錄介質(zhì)盤200上的信息。
制作電流垂直平面型磁阻效應元件，并且對電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)和偏置點兩者間的關(guān)系進行檢查。
基底層1310采用Ta[5nm]，反鐵磁層1320采用PtMn[15nm]，鐵磁層1344采用Co90Fe10，磁耦合層1343采用Ru
，磁化固定層1342采用Fe50Co50，中間層1341采用Cu[5nm]，磁化自由層1340采用Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]，保護層1350采用Cu[5nm]。
縱向偏置機構(gòu)是利用CoCrPt合金的磁疇控制薄膜1120。使反鐵磁層1320的磁化方向與磁疇控制薄膜1120的磁化方向幾乎垂直。鐵磁層1344的厚度和磁化固定層1342的厚度如表1所示的方式變化。用于鐵磁層1344的Co90Fe10的飽和磁化為1.9T，用于磁化固定層1342的Fe50Co50的飽和磁化為2.2T。利用上述數(shù)值計算得到的磁厚度Ms1t1和Ms2t2一并列出。
(表1)

定義從磁化自由層1340流向磁化固定層1342的電流方向為正，而從磁化固定層1342流向磁化自由層1340的電流方向為負。對磁化固定層1342反向平行施加磁場的方向定義為磁場的正方向。
圖13至圖21是示出電流垂直平面型磁阻效應元件的R-H曲線的圖表。
圖13示出-1mA電流通過元件A的情況。
圖14和圖15示出+2mA和-2mA電流分別通過元件A的情況。圖16和圖17示出+2mA和-2mA電流分別通過元件B的情況。圖18和圖19示出+2mA和-2mA電流分別通過元件C的情況。圖20和圖21示出+2mA和-2mA電流分別通過元件D的情況。
圖13示出不包含電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所造成的噪聲的較好的RH曲線。這是因為，由于電流小到-1mA，因而電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)的效應較小。如上所述，為了尋找偏置點，較為理想的是以這種小電流來測定該元件的特性。
另外，當電流值為-1mA時，磁阻效應元件的靈敏度較低(隨磁阻變化的輸出電壓的變化量較小)，因而該數(shù)值未必是實際的數(shù)值。
根據(jù)圖13計算得到元件A的偏置點為30％。同樣元件B至元件F中也按-1mA的電流值計算它們的偏置點。結(jié)果是，偏置點在元件B中為38％，元件C中為50％，元件D中為55％，元件E中為80％，而元件F中為95％。
圖14中，當磁場H為200[Oe]附近時電阻大大減小。圖15中，當磁場H為50[Oe]至400[Oe]附近時可以觀察到較大的磁滯現(xiàn)象。也就是說，元件A作為磁阻效應元件來說并不具有較好的特性。注意磁滯現(xiàn)象是由電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)引起的。
圖16中，當磁場H處于250[Oe]附近以及500[Oe]以上區(qū)域時，電阻有所減小。圖17中，當磁場H處于-350[Oe]以下區(qū)域時電阻急劇增加。也就是說，元件B同樣作為磁阻效應元件來說并不具有較好的特性。注意磁滯現(xiàn)象是由電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)引起的。
圖18中，在R-H曲線中觀察不到磁滯或類似現(xiàn)象，但當磁場H從-600[Oe]變化至600[Oe]時電阻變化量為0.12Ω。該變化量與圖19中相同磁場范圍條件下的電阻變化量0.18Ω相比較小。此外，磁場H從50[Oe]附近變化至600[Oe]附近時電阻變化量非常小(對于介質(zhì)的正向磁場的靈敏度非常小)。
當元件C中如上所述使電流從磁化自由層1340流至磁化固定層1342，元件C作為磁阻效應元件來說并不具有較好的特性。另外，圖18中的正向磁場中的較小電阻變化是由電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)引起的。
圖19中，磁場H處于0[Oe]至-200[Oe]附近時觀察到磁滯現(xiàn)象。但通過發(fā)明者對該磁滯現(xiàn)象的具體檢查，該磁滯現(xiàn)象在1000次測定當中僅觀察到兩次。因而，通過在元件C中使電流從磁化固定層1342流至磁化自由層1340，能夠得到較高的磁阻變化。
圖20中，磁場H處于0[Oe]附近時觀察到磁滯現(xiàn)象，并且當磁場H處于-600[Oe]至600[Oe]范圍中時電阻變化量為0.11Ω。該變化量與圖21中相同磁場范圍條件下的電阻變化量0.19Ω相比較小。此外，磁場H從50[Oe]附近變化至600[Oe]附近時電阻變化量非常小(對于介質(zhì)的正向磁場的靈敏度非常小)。
當元件D中如上所述使電流從磁化自由層1340流至磁化固定層1342，元件D作為磁阻效應元件來說并不具有較好的特性。另外，圖20中的正向磁場中的較小電阻變化是由電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)引起的。
圖21中，正向或負向磁場中，電阻均隨磁場絕對值的增加而有較大的平滑增大。因而，當元件D中使電流從磁化固定層1342流至磁化自由層1340，元件D作為磁阻效應元件來說具有良好的特性。
元件E中，偏置點為80％并且可得到與元件D情形幾乎相同的磁阻變化量。而元件F中，偏置點為95％并且相對于正方向磁場而言的電阻變化量非常小。也就是說，元件F作為磁阻效應元件來說在平衡性方面較為欠缺(可測定負方向的磁場，但難以測定正方向的磁場)。
如上所述，通過使電流從磁化固定層1342流至磁化自由層1340并且使偏置點為50％或更大，有可能避免電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所造成的噪聲從而獲得較高輸出?？紤]到避免磁滯現(xiàn)象以及元件F的結(jié)果，偏置點大于或等于55％但小于或等于80％會更為理想。
這里，元件C和D中，磁厚度的比值((Ms1×t1)/(Ms2×t2))為1.03和3.45，并且偏置點分別為50％和55％。根據(jù)此結(jié)果，可以估算當磁厚度的比值((Ms1×t1)/(Ms2×t2))接近為1.2或以上時偏置點基本上大于50％。
(實例2)所制作的是具有與實例1情形相同的元件結(jié)構(gòu)的元件，其中鐵磁層1344的厚度為3.5nm，磁化固定層1342的厚度為3nm，而反鐵磁層1320采用PtMn合金和IrMn合金，但其中對反鐵磁層1320進行熱處理時的磁場方向相對于磁疇控制薄膜1120的磁化方向D4的角度θ有所不同。
對所制作的元件進行與實例1情形相同的測定，其結(jié)果列于表2中。發(fā)生正向電流情況下電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所伴隨的電阻變化這種結(jié)果定義為“判定×”，而沒有發(fā)生該電阻變化這種結(jié)果則定義為“判定·”。
(表2)

由表2可知，PtMn合金和IrMn合金中，在角度θ大于10°但小于或等于80°的情形下，沒有發(fā)生正向電流情況下電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所伴隨的電阻變化。
但當角度θ為10°時，相對于正向磁場的電阻變化非常小(PtMn合金情形下偏置點為85％，IrMn合金情形下偏置點為83％)。也就是說，元件F作為磁阻效應元件來說在平衡性方面較為欠缺(可測定負方向的磁場，但難以測定正方向的磁場)。因此，磁場的角度θ希望處于大于10°但小于90°(更為理想的是小于或等于80°)的范圍。
(實例3)制作與圖7中的第二實施例相對應的各磁阻效應元件(利用交換偏置層1345作為縱向偏置機構(gòu)的各元件)。
基底層1310、反鐵磁層1320、鐵磁層1344、磁耦合層1343、磁化固定層1342、中間層1341、磁化自由層1340、以及保護層具有與實例1情形相同的結(jié)構(gòu)，并且交換偏置層1345采用IrMn。當對反鐵磁層1320進行熱處理時的磁場設定為([7500[Oe])，此時的熱處理溫度設定為290度，并且熱處理時間設定為3小時。當對交換偏置層1345進行熱處理時的磁場設定為([7500[Oe])，此時的熱處理溫度設定為270度，并且熱處理時間設定為1小時。
制作各元件，其中對反鐵磁層1320進行熱處理時的磁場H1的方向和對交換偏置層1345進行熱處理時的磁場H2的方向所形成的角度θ有所不同。
對所制作的元件進行與實例1情形相同的測定，其結(jié)果列于表3中。發(fā)生正向電流情況下電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所伴隨的電阻變化這種結(jié)果定義為“判定×”，而沒有發(fā)生該電阻變化這種結(jié)果則定義為“判定·”。
(表3)

如上所示，可以得知當角度大于或等于10°但小于或等于90°時，沒有發(fā)生正向電流情況下電流感應的磁化翻轉(zhuǎn)所伴隨的電阻變化。但注意當角度θ為10°時，偏置點為85％，相對于正向磁場的電阻變化非常小。也就是說，元件作為磁阻效應元件來說在平衡性方面較為欠缺(可測定負方向的磁場，但難以測定正方向的磁場)。
這表明希望使角度θ大于10°但小于90°(更為理想的是小于或等于80°)。
(其他實施例)本發(fā)明的實施例不局限于上面所說明的各實施例，可加以擴展和修改，所擴展和修改的各實施例同樣為本發(fā)明的技術(shù)范圍所包括。
權(quán)利要求
1.一種磁阻效應元件，其特征在于，包括包括磁化方向根據(jù)外部磁場而變化的磁化自由層、磁化方向基本上固定于一個方向的磁化固定層、以及置于所述磁化自由層和所述磁化固定層之間的中間層的磁阻效應薄膜；置于所述磁阻效應薄膜的所述磁化固定層上的磁耦合層；置于所述磁耦合層上的鐵磁層；置于所述鐵磁層上的反鐵磁層；在與所述磁阻效應薄膜的薄膜表面幾乎平行并與所述磁化固定層的磁化方向幾乎垂直的方向上對所述磁化自由層施加偏置磁場的偏置機構(gòu)部；以及用以使電流在從所述磁化固定層至所述磁化自由層的方向上通過的一對電極，其中，偏置點大于50％。
2.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，所述偏置點大于或等于55％且小于或等于80％。
3.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，所述磁化固定層的飽和磁化Ms1以及厚度t1和鐵磁層的飽和磁化Ms2以及厚度t2具有下列關(guān)系1.2≤(Ms1×t1)/(Ms2×t2)＜5。
4.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，所述磁化自由層的初始磁化方向相對于所述磁化固定層的磁化方向的角度大于或等于100°且小于160°。
5.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，所述偏置機構(gòu)部包括置于所述磁阻效應薄膜的側(cè)面，并且包含硬磁材料的一對磁疇控制薄膜，其中，所述鐵磁層的磁化方向相對于所述磁疇控制薄膜的磁化方向的角度大于10°且小于或等于80°。
6.一種磁頭，其特征在于，包括如權(quán)利要求1所述的磁阻效應元件。
7.一種磁再現(xiàn)裝置，其特征在于，包括如權(quán)利要求6所述的、對磁記錄介質(zhì)上的信息進行再現(xiàn)的磁頭。
8.一種磁阻效應元件的制造方法，其特征在于，包括下列步驟形成構(gòu)造體，該構(gòu)造體包括包括磁化方向根據(jù)外部磁場而變化的磁化自由層、磁化方向基本上固定于一個方向的磁化固定層、以及置于所述磁化自由層和所述磁化固定層之間的中間層的磁阻效應薄膜；置于所述磁阻效應薄膜的所述磁化固定層上的磁耦合層；置于所述磁耦合層上的鐵磁層；置于所述鐵磁層上的反鐵磁層；在與所述磁阻效應薄膜的薄膜表面幾乎平行并與所述磁化固定層的磁化方向幾乎垂直的方向上對所述磁化自由層施加偏置磁場的偏置機構(gòu)部；以及用以使電流在從所述磁化固定層至所述磁化自由層的方向上通過的一對電極；以及對所述磁化自由層賦予初始磁化方向，該初始磁化方向相對于所述磁化固定層的磁化方向的角度大于或等于100°且小于160°。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述偏置機構(gòu)部包括置于所述磁阻效應薄膜的側(cè)面，并且包含硬磁材料的一對磁疇控制薄膜，其中，對所述磁化自由層賦予初始磁化方向的步驟包括對所述鐵磁層賦予磁化方向，該磁化方向相對于所述磁疇控制薄膜的磁化方向的角度大于10°且小于或等于80°。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，對所述鐵磁層賦予磁化方向的步驟包括對所述反鐵磁層進行熱處理，同時在相對于所述磁疇控制薄膜的磁化方向的角度大于10°且小于或等于80°的方向上對該反鐵磁層施加磁場。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述偏置機構(gòu)部包括置于所述磁阻效應薄膜的磁化自由層上，并且包含反鐵磁材料的交換偏置層，對所述磁化自由層賦予初始磁化方向的步驟包括下列步驟對所述反鐵磁層進行熱處理，同時在第一方向上對所述反鐵磁層施加磁場；對所述交換偏置層進行熱處理，同時在第二方向上對所述交換偏置層施加磁場；以及所述第一方向相對于所述第二方向的角度大于10°且小于或等于80°。
全文摘要
本發(fā)明的磁阻效應元件包括包括磁化自由層、磁化固定層、以及置于兩者之間的中間層的磁阻效應薄膜；磁耦合層；鐵磁層；反鐵磁層；在與磁阻效應薄膜的薄膜表面幾乎平行并與磁化固定層的磁化方向幾乎垂直的方向上對磁化自由層施加偏置磁場的偏置機構(gòu)部；以及用以使電流在從磁化固定層至磁化自由層的方向上通過的一對電極，且偏置點大于50％。
文檔編號H01L43/12GK101026222SQ200710085268
公開日2007年8月29日 申請日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者高下雅弘, 高岸雅幸, 巖崎仁志, 中村志保 申請人:株式會社東芝