专利名称：磁阻元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及通过对磁阻膜提供检测电流来检测磁力的磁阻元件。
背景技术：
通过利用巨磁阻效应(GMR)，磁器件尤其是磁头的性能有明显改善。尤其是对磁头、MRAM(Magnetic Random Access Memories，磁随机存取存储器)等应用自旋阀膜(SV膜)，在磁器件领域带来了巨大的技术进步。
“旋阀膜”是包括非磁性间隔层介于两层铁磁层之间这种结构的多层膜，该多层膜结构其发生阻抗变化的部分称为自旋相依散射单元。两层铁磁层其中一层(称为“被固定层”、“磁化被固定层”等)的磁化由反铁磁层等固定，而其中另一铁磁层(称为“自由层”、“磁化自由层”等)的磁化方向则可随外部磁场而旋转。在旋阀膜中，被固定层和自由层的磁化方向的相对角度的变化产生巨磁阻。这里，间隔层使被固定层和自由层彼此间磁分离，以允许被固定层和自由层各自的磁化方向独立变化。
利用旋阀膜的磁阻效应元件包括CIP(Current-In-Plane，电流在平面内)-GMR元件、CPP(Current-Perpendicular-to-Plane，电流垂直于平面)-GMR元件、以及TMR(Tunneling Magneto Resistance，隧道磁阻)元件。在CIP-GMR元件中按与旋阀膜的平面相平行的方向提供检测电流，而在CPP-GMR元件和TMR元件中则按与旋阀膜的平面基本上垂直的方向提供检测电流。
在电流垂直于平面类型中，TMR元件中的间隔层为绝缘层，而普通CPP-GMR元件中的间隔层为金属层。作为CPP-GMR元件的发展形式，还提出过一种磁阻元件，这种磁阻元件的间隔层为包括在厚度方向上贯通的纳米金属电流通路的氧化层[NOL(nano-oxidelayer，纳米氧化层)]。该间隔层具有用于在NOL的部分内造成金属导通的电流限制通路(CCP，current-confined-path)(见日本专利申请公开公报2002-208744)。
发明内容
本发明实施例的磁阻元件包括具有基本上固定的磁化方向的第一磁性层；设置于该第一磁性层上、具有氧化物、氮化物、氧氮化物、以及金属其中至少一种的薄膜层；以及设置于该薄膜层上、具有基本上固定的磁化方向的第二磁性层。
图1是示出本发明实施例的磁阻元件的立体图。
图2是示出本发明实施例的磁阻膜的基本结构的立体图。
图3是示出常规旋阀膜的基本结构的立体图。
图4A是示出磁阻效应发生机制的示意图。
图4B是示出磁阻效应发生机制的示意图。
图5是示出磁阻元件制造过程的一个实例的流程图。
图6是示出用于制造磁阻元件的薄膜形成设备的总体轮廓的示意图。
图7是一例磁阻膜的剖面TEM照片。
图8是示出在形成磁阻膜的过程中氧气流量和磁阻率之间的相关性的图表。
图9是示出其中上下被固定层两者均具有合成被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图10是示出其中上下被固定层两者均具有合成被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图11是示出其中上下被固定层两者均具有合成被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图12是示出其中上下被固定层两者均具有合成被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图13是示出其中上下被固定层两者均具有合成被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图14是示出其中上下被固定层两者均具有合成被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图15是示出其中上下被固定层两者均具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图16是示出其中上下被固定层两者均具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图17是示出其中上下被固定层两者均具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图18是示出其中上下被固定层两者均具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图19是示出其中上下被固定层两者均具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图20是示出其中上下被固定层两者均具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图21是示出其中上下被固定层其中一层具有合成被固定结构而另一层具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图22是示出其中上下被固定层其中一层具有合成被固定结构而另一层具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图23是示出其中上下被固定层其中一层具有合成被固定结构而另一层具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图24是示出其中上下被固定层其中一层具有合成被固定结构而另一层具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图25是示出其中上下被固定层其中一层具有合成被固定结构而另一层具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图26是示出其中上下被固定层其中一层具有合成被固定结构而另一层具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图27是示出其中上下被固定层其中一层具有合成被固定结构而另一层具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图28是示出其中上下被固定层其中一层具有合成被固定结构而另一层具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图29是示出其中上下被固定层其中一层具有合成被固定结构而另一层具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图30是示出其中上下被固定层其中一层具有合成被固定结构而另一层具有单层被固定结构的磁阻膜的结构例的立体图。
图31是示出仅具有一层固定层的磁阻膜的结构例的立体图。
图32是示出仅具有一层固定层的磁阻膜的结构例的立体图。
图33是示出仅具有一层固定层的磁阻膜的结构例的立体图。
图34是示出仅具有一层固定层的磁阻膜的结构例的立体图。
图35是示出具有多层外部磁场检测层的磁阻膜其结构例的立体图。
图36是示出具有多层外部磁场检测层的磁阻膜的结构例的立体图。
图37是示出其中结合有本实施例的磁阻膜的磁头的示意图。
图38是示出其中结合有本实施例的磁阻膜的磁头的示意图。
图39是示出磁记录/再生设备的主要部分的概略结构的立体图。
图40是示出从磁盘一侧观察的磁头悬架组件的致动臂的前端部分的放大立体图。
图41是示出本发明实施例的磁存储器的矩阵结构的一个实例的示意图。
图42是示出本实施例磁存储器的矩阵结构的另一实例的示意图。
图43是示出本实施例磁存储器的主要部分的剖面图。
图44是沿图18中的A-A’线截取的剖面图。
具体实施例方式接下来参照
本发明各实施例。下面各实施例中，合金的成分按原子百分比(原子％)表示。
图1是示出本发明实施例的磁阻元件的立体图。图1以及其它附图都是示意图，图中的厚度比例不一定等于实际的厚度比例。
如图1所示，本实施例的磁阻元件具有磁阻膜10以及从上下方夹住磁阻膜10的上下电极20、11，并且形成于未图示的衬底上。磁阻膜10由依次层叠在一起的基底层12、固定层13、被固定层14、外部磁场检测层15、被固定层16、固定层17、以及遮盖层(caplayer)18所组成。在上述这些层中，被固定层14、外部磁场检测层15、以及被固定层16与呈现磁阻效应的基本膜结构即自旋相依散射单元相对应。
(磁阻膜10的基本结构) 图2所示的磁阻膜10与图3所示的常规旋阀膜90在结构上具有非常大的区别。
图2和图3是示出本实施例的磁阻膜的基本结构的立体图。如上所述，在磁阻膜10中使固定层13、被固定层14、外部磁场检测层15、被固定层16、以及固定层17层叠在一起。而在旋阀膜90中则使固定层93、被固定层94、间隔层95、以及自由层96层叠在一起。
在旋阀膜90中，呈现磁阻效应的自旋相依散射单元具有被固定层94、间隔层95、自由层96这三层结构。被固定层94的磁化方向固定，而自由层96的磁化方向则随外部磁场而变化。间隔层95分离被固定层94和自由层96两者间的磁耦合，从而使被固定层94和自由层96的磁化方向彼此保持独立。被固定层94和自由层96的磁化方向的相对角度随外部磁场而变化，并且可根据所形成的磁阻检测磁力。
另一方面，在磁阻膜10中，被固定层14、外部磁场检测层15、被固定层16构成呈现磁阻效应的自旋相依散射单元的三层结构。即，在磁阻膜10中，没有诸如间隔层95积极地分离磁耦合的机制，被固定层16和外部磁场检测层15彼此直接靠近。
在常规旋阀膜90中，间隔层95为非磁性层。但间隔层95中传导的电子从磁性层(被固定层94和自由层96)流出从而具有自旋信息。为了实现更大的阻抗变化，重要的是防止传导电子的自旋信息在间隔层95中丢失。但在实际制作的间隔层95中，无法实现完全理想的状态，晶体缺陷、杂质元素等的影响造成自旋反转现象。这是阻抗变化减小的原因。
另一方面，磁阻膜10不具有间隔层，并且不受这种传导电子的自旋反转的影响。这可以实现较大的阻抗变化。磁阻膜10即便是不具有间隔层也能够起到旋阀膜的功能。将在后文中说明磁阻膜10的工作机制。
磁阻膜10的自旋相依单元中的层数与旋阀膜90的情形相同。但磁阻膜10不具有间隔层(用于积极地分离磁耦合的机制)，能够通过被固定层14、16实际起到双旋阀膜的功能。
典型的双旋阀膜具有被固定层/间隔层/自由层/间隔层/被固定层这五层结构。磁阻膜10可通过三层结构(相对而言较薄)起到双旋阀层的功能，可很容易提高磁阻比。
为了使磁阻膜10在不具有间隔层的情况下呈现磁阻效应，需要适当地选择外部磁场检测层15的材料。作为外部磁场检测层15，使用超薄氧化物层、氮化物层、氧氮化物层、或金属层。使用Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Pd、Nb、W、Mo、Ta等作为氧化物层、氮化物层、或氧氮化物层的基本材料。对于金属层而言，则使用包含诸如Ti、V、Cr、或Mn这类元素的金属材料。
此时，氧化物层、氮化物层、氧氮化物层等采用大约0.5nm至3nm的超薄层(薄膜层)。这样可以在不造成任何阻抗提高的情况下实现较大的磁阻率。采用金属材料的情况下，即便是使用厚度超过3nm的膜，仍可以将阻抗控制为较低值。因此，在采用金属材料的情况下，允许的厚度范围可以高达约5nm，包括0.5nm至3nm这一范围。
(磁阻元件的详细说明) 接下来详细说明本实施例的磁阻元件。
下电极11在垂直于旋阀膜平面的方向上提供电流。在下电极11和上电极20之间加上电压使得电流在旋阀膜中沿垂直于平面的方向流过。可通过检测基于该电流的磁阻效应所引起的阻抗变化来检测磁力。作为下电极11可采用电阻相对较低的金属层向磁阻元件提供电流。
基底层12可以分为例如缓冲层12a和籽晶层12b。缓冲层12a对下电极11表面的粗糙度起缓冲作用。籽晶层12b控制其上所形成的旋阀膜的晶向以及晶粒大小。
作为缓冲层12a的材料可采用Ta、Ti、W、Zr、Hf、Cr、或者这些元素其中任何元素的合金。缓冲层12a的优选厚度范围为约1nm至约10nm，最好是约2nm至约5nm。缓冲层12a太薄的话便无法显现缓冲效应。另一方面，缓冲层12a太厚的话便会导致对磁阻率没有贡献的串联阻抗的增加。另外，如果缓冲层12a上所形成的籽晶层12b具有缓冲效应的话，形成缓冲层12a便是不可或缺的。作为满足上述条件的优选例，可采用Ta[3nm]作为缓冲层12a。
种子层12b可由能够控制其上所形成的膜层的晶体取向的任何材料来形成。作为种子层12b优选的是具有fcc结构(face-centered cubic structure，面心立方结构)、hcp结构(hexagonal close-packed structure，密排六方结构)、或bcc结构(body-centeredcubic structure，体心立方结构)的金属层等。
举例来说，使用由hcp-Ru或fcc-NiFe所形成的籽晶层12b的话，其上所形成的旋阀膜可具有fcc(111)晶体取向。此外，固定层13(例如IrMn)可具有fcc(face-centeredcubic，面心立方)晶体取向。
为了使籽晶层12b充分显现其改进晶体取向的作用，籽晶层12b的厚度范围优选1nm至5nm这一范围，最好是1.5nm至3nm这一范围。Ru[2nm]为满足上述条件的籽晶层12b的材料的优选例。
旋阀膜以及固定层13的晶体取向可以通过X射线衍射来测量。旋阀膜的fcc(111)峰值以及固定层13(PtMn)的fct(111)峰值或bcc(110)峰值处的摇摆曲线的半值宽度为3.5°至6°时，可以获得较好的取向。可以通过利用剖面TEM从衍射点找到该取向的散射角。
替代Ru，也可用NiFe基合金(例如NixFe100-x(x＝90％至50％，较好是75％至85％)或在NiFe中加入第三元素Z使得NiFe为非磁性的(NixFe100-x)100-yZy(Z＝Cr、V、Nb、Hf、Zr、Mo))作为籽晶层12b。利用NiFe基籽晶层12b，可相对容易地获得较好的晶体取向，作为按上述相同方式测定的摇摆曲线的半值宽度，可获得3°至5°。
除了改进晶体取向的作用以外，种子层12b还具有控制旋阀膜的晶粒大小的作用。具体来说，籽晶层12b能够将旋阀膜的晶粒大小控制为5nm至20nm。结果是，即便是磁阻元件其尺寸较小，也可以防止特性变化。此外，不仅可采用具有晶粒的旋阀膜，还可采用具有非晶结构(其晶粒大小小到可当作为极限状态)的旋阀膜。
可以根据种子层12b上所形成的固定层13和被固定层14其中晶粒的大小得出旋阀膜的晶粒大小。晶粒大小可以通过例如剖面TEM等进行测定。
在适用于高密度记录的再生磁头中，元件尺寸为例如50nm或更小。晶粒大小相对于元件尺寸的较大比值会导致元件的特性变化。每一单位元件面积的晶粒数目较小会因晶体数目较小而导致特性变化，因此增加晶粒大小是不理想的。旋阀膜中超过20nm的晶粒大小是不理想的。
另一方面，非常小的晶粒大小难以维持较好的晶体取向。具体来说，晶粒大小的优选范围为3nm至20nm这一范围。
为了得到上述3nm至20nm的晶粒大小，较好是用Ru[2nm]作为籽晶层12b，或者是用(NixFe100-x)100-yZy(Z＝Cr、V、Nb、Hf、Zr、Mo)层作为籽晶层12b的话，第三元素Z的组成y较好为约0％至30％(包括0％) 如上文所述，籽晶层12b的厚度较好为约1nm至5nm，最好为1.5nm至3nm。籽晶层12b太薄的话，显现不出控制晶体取向等的效应。籽晶层12b太厚的话，会导致串联阻抗的增加，有时会导致旋阀膜界面的表面不规则。
固定层13具有对将要成为形成于固定层13上的被固定层14的铁磁层赋予单向各向异性从而使磁化固定的功能。作为固定层13的材料，可采用诸如IrMn、PtMn、PdPtMn、或RuRhMn这类反铁磁材料。其中，IrMn作为适用于高密度记录的磁头材料较具优势。IrMn可赋予单向各向异性的厚度小于PtMn情形，因而适合使高密度记录所需的间隙变窄。
为了赋予足够强的单向各向异性，需要适当设定固定层13的厚度。由PtMn或PdPtMn所形成的固定层13的厚度较好为约8nm至20nm，最好是10nm至15nm。IrMn所形成的固定层13其可赋予单向各向异性的厚度与PtMn等所形成的固定层13的情形相比较小，因此其厚度的优选范围为4nm至18nm这一范围，较为理想的是5nm至15nm这一范围。作为满足上述条件的优选例，可采用IrMn[6nm]作为固定层13。
作为固定层13可用硬磁层替代反铁磁层。可用的硬磁层材料的实例包括Co、Co合金、CoPt(Co＝50％至85％)，(CoxPt100-x)100-yCry(x＝50％至85％，y＝0％至40％)、FePt(Pt＝40％至60％)等。硬磁层其电阻率与反铁磁层相比相对较小，因而具有能够禁止串联阻抗和面积阻抗RA增加的优点。
被固定层14较好为由例如被固定层141(例如Co90Fe10[2nm])、磁耦合层142(例如Ru
)、以及被固定层143(例如Co90Fe10[2nm])所组成的合成被固定层。固定层13(例如IrMn)和直接位于其上的被固定层141处于交换磁耦合状态以具有单向各向异性。磁耦合层142上下方的被固定层143、141处于强磁耦合状态以具有反向平行的磁化方向。
用作被固定层141的材料的实例包括CoxFe100-x合金(x＝0％至100％)、NixFe100-x合金(x＝0％至100％)、以及加入了非磁性元素的上述合金其中任意一种。作为被固定层141的材料，也可用诸如Co、Fe、或Ni这类单一元素或其合金。
被固定层141的磁性厚度(饱和磁化Bs×厚度t(乘积Bs·t))最好是与被固定层143的磁性厚度基本相等。也就是说，被固定层143的磁性厚度和被固定层141的磁性厚度最好是彼此相符。举例来说，如果被固定层141、143由相同材料形成的话，被固定层141、143的厚度最好是基本相等。作为另一例采用具有bcc结构的Fe50Co50[2.5nm]作为被固定层143的材料的话，由于薄膜中的FeCo的饱和磁化为约2.2T，所以被固定层143的磁性厚度为2.2T×2.5nm＝5.5Tnm。由于Co90Fe10的饱和磁化为约1.8T，所以其给出的磁性厚度与被固定层143的磁性厚度相等的被固定层141其厚度为5.5Tnm/1.8T＝3.0nm。因此，最好是采用厚度为大约3.0nm的Co90Fe10作为被固定层141的材料。
作为被固定层141使用的磁性层其厚度最好为约1.5nm至约5nm。该厚度范围是鉴于对固定层13(例如IrMn)所赋予的单向各向异性磁场场强以及经由磁耦合层142(例如Ru)以反铁磁方式耦合的被固定层141和被固定层143的磁场场强的考虑而认为是理想的。
固定层13如果由硬磁层形成的话，还能够起到被固定层141的功能。即，固定层13和被固定层141可以组合在一起作为组合层，可采用CoPt等材料所形成的厚度为约2nm至约5nm的硬磁层。
磁耦合层142(例如Ru)具有通过使上下磁性层(被固定层141、143)以反铁磁方式耦合来形成合成被固定结构的功能。作为磁耦合层142的Ru层其厚度最好为0.8nm至1nm。可以采用能够在上下磁性层之间引起足够的反铁磁耦合的任何材料来替代Ru。可使用与RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida)耦合的第一峰值相对应的厚度0.3nm至0.6nm，替代与RKKY耦合的第二峰值相对应的厚度0.8nm至1nm。这里可行的磁耦合层142的材料的实例是能够稳定实现高可靠性耦合的0.9nm Ru。
作为被固定层143的实例，可采用具有2nm厚度的诸如Co90Fe10的磁性层。该被固定层143构成自旋相依散射单元其中一部分。该被固定层143是对磁阻效应具有贡献的磁性层，并且为了获得高磁阻率，其材料组成及其厚度两者均很重要。具体来说，由于其对自旋相依界面散射的贡献，位于与外部磁场检测层15的界面上的磁性材料尤为重要。
也可采用bcc-FeCo替代常规的fcc-Co90Fe10作为被固定层143的材料。bcc-FeCo合金的实例包括FexCo100-x(x＝30％至100％)以及对其加入附加元素的FexCo100-x。同样也可采用hcp-Co合金。此外，作为被固定层143的材料可采用诸如Co、Fe、或Ni这类金属元素，也可以采用包含上述元素其中至少一种的合金材料。
被固定层143的总厚度最好为1.5nm或者以上。如果该被固定层143是bcc磁性层的话，旋阀膜所用的金属材料往往具有fcc结构或fct结构。因此，有可能存在只是被固定层143具有bec结构的情况。在这种情况下，如果被固定层143太薄的话，难以稳定保持bcc结构，这会导致特性不稳定。因此，被固定层143的厚度最好为1.5nm或以上。
但被固定层143由Co、fcc-CoFe合金等材料形成的话，该被固定层143的厚度可减小为约1nm。这种情况下，旋阀膜的总厚度可以减小，这样有助于对间隙减小的适应。如稍后所说明的那样，磁阻效应的物理原理与常规旋阀膜中所用的GMR效应(包括CIP-GMR和CPP-GMR，其中CIPCurrent-in-plane(电流在平面内)，CPPCurrent-perpendicular-to-plane(电流垂直于平面)，GMRGiant magneto-resistance(巨磁阻))以及TMR(tunneling magneto-resistance(隧道磁阻))效应有所不同。因此，被固定层143即便是诸如1nm这般超薄，但有时仍可使用。
被固定层143的厚度最好为5nm或以下。这用于获得较大的固定磁场。
作为被固定层143可采用其中磁性层(FeCo层)和非磁性层(超薄Cu层)交替层叠在一起的多层。
超薄Cu层的厚度较好为0.1nm至0.6nm，最好是0.2nm至0.5nm。Cu层厚度太大有时会减小体积散射效应，并且会减弱上下磁性层经由该非磁性Cu层的磁耦合，从而被固定层14只能呈现不够充分的特性。超薄Cu层的优选厚度为例如0.25nm。
作为磁性层之间的非磁性层的材料，也可采用Hf、Zr、Ti等替代Cu。在插入任何上述超薄非磁性层的情况下，FeCo等的磁性层其每一层的厚度较好为0.5nm至2nm，最好是约1nm至约1.5nm。
作为被固定层143，可使用FeCo和Cu的合金层替代其中FeCo层和Cu层交替层叠在一起的多层。这种FeCoCu合金的实例是(FexCo100-x)100-yCuy(x＝30％至100％、y＝约3％至约15％)，但可以使用其他成分。这里，作为加入到FeCo中的元素可采用诸如Hf、Zr、或Ti这类其他元素替代Cu。
作为被固定层14可使用非晶金属层替代晶体材料。具体来说，可以使用CoFeB、CoZrNb、FeZrN、FeAlSi等。利用非晶合金层的一个优势在于，由于下列原因(1)和(2)各元素间往往很少有特性变化发生。
(1)没有因晶粒表面的不规则而发生不规则性。
(2)即便是元素尺寸很小的情况下，也不需要考虑某一种元素中的晶粒数目的变化。
如果硬磁层用作固定层13的话，该硬磁层有时可起到固定层13/被固定层141/磁耦合层142/被固定层143这全部四层的作用。这种情况下如果将CoPt等的硬磁层用作固定层13的话，用作上述四层的硬磁层可形成为具有2nm至4nm厚度，这样总膜厚可以大大减小。
外部磁场检测层15设置于被固定层14上。外部磁场检测层15具有与旋阀膜90的自由层96的功能相对应的功能。在常规旋阀膜90中，没有间隔层95介于被固定层94和自由层96两者间，被固定层94和自由层96不可能层叠在一起。磁阻膜10能够在不用间隔层95的情况下呈现磁阻效应。
利用无间隔层的结构的一个优势在于，没有如上文所述间隔层中传导电子的自旋反转这种影响。由于不需要考虑自旋反转现象，因而能够对阻抗变化和MR比很容易得到较大数值，很容易实现对较高密度的适应。
而且，由于不需要间隔层95，因而磁阻膜10的总厚度可减小。可以形成具有足够小的厚度以适应较窄间隙的磁阻元件。
作为外部磁场检测层15可采用包括超薄氧化物层、氮化物层、或氧氮化物层这种结构。作为形成氧化物、氮化物、氧氮化物等的基本材料，可采用Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、W、Ta等。
磁阻膜10其特征在于，外部磁场检测层15直接形成于被固定层14上，两者间没有任何间隔层。如稍后将详细说明的那样，为了检测外部磁场，外部磁场检测层15需要与外部磁场相互作用(例如外部磁场检测层15具有较弱磁性)。基于此目的，较好是将包含例如Pd或者诸如Ti、V、Cr、或Mn这类3d族非磁性过渡金属元素作为主要组分的氧化物层、氮化物层、或氧氮化物层用作外部磁场检测层15。此外，包含诸如Fe、Co、或Ni这类属于能够呈现磁性的单一元素的上述氧化物层、氮化物层、或氧氮化物层其中任何一种同样优选作为外部磁场检测层15。此外，作为外部磁场检测层15可使用超薄Zr、Mo、Ru、Rh、W、Ta、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、或Pd这种超薄氧化物层、氮化物层、或氧氮化物层，作为替代也可使用包含Fe、Co、或Ni这种氧化物层、氮化物层、或氧氮化物层。
外部磁场检测层15的厚度范围较好为0.5nm至3nm，最好是1nm至2.5nm。如果外部磁场检测层15太薄的话，难以呈现外部磁场检测功能。而如果外部磁场检测层15太厚的话，有时呈现出外部磁场检测功能减弱，这是不希望的。
外部磁场检测层15能够检测的外部磁场的量级是几十至几百[Oe]。即，随外部磁场的方向，磁阻膜10会具有较高的阻抗或较低的阻抗。外部磁场检测层15的一个期望例是以TiOx为基本材料、并包含Fe或Co元素的TiOx-Co或TiOx-Fe层。如稍后将要说明的那样，具有该结构的磁阻膜10在施加有正向磁场的情况下会具有较低的阻抗，而在施加有大约100[Oe]的负向磁场的情况下则会具有较高的阻抗。
外部磁场检测层15可以包含Fe、Co、Ni、Ti、Hf、Mg、Zr、V、Mo、Si、Cr、Nb、Ta、W、B、C、V等作为添加元素。上述添加元素其中任何一种的加入量可以在0％至50％范围内适当改变。
除了之前所述的氧化物、氮化物、或氧氮化物以外，作为外部磁场检测层15的材料可采用包含Ti、V、Cr、Mn、或Pd作为主要组分的金属材料，或者可采用除了任意上述元素以外包含诸如Fe、Co、Ni等这类元素的材料。上述材料很容易呈现弱磁性。具体来说，如本实施例那样超薄薄膜被上下铁磁材料夹住的这种结构中，很容易呈现磁性。这种金属材料不需要是氧化物、氮化物、或氧氮化物，而可以按原样使用。
被固定层16设置于外部磁场检测层15上。被固定层16的磁化方向固定，并且基本上不随外部磁场变化。为了使该被固定层16的磁化方向固定，被固定层16较好是与被固定层14同样其上具有固定层17。
不过，即便是没有固定层17形成于被固定层16上，有时也会呈现磁阻效应。举例来说，如果外部磁场检测层15薄至约1.5nm至约2nm甚至更小的话，即便是没有固定层17的情况下也会有可能使被固定层16的磁化方向固定。即，其磁化由固定层13固定的被固定层14有时经由外部磁场检测层15与被固定层16磁耦合，从而使被固定层16的磁化方向固定。尚无法很清楚地了解当外部磁场检测层15检测外部磁场时被固定层14、16会因何种机制而经由外部磁场检测层15处于强磁耦合状态。
对于被固定层16来说可用与被固定层14情形相同的材料和厚度。举例来说，可使用Co、Fe、或Ni这种单一元素；CoFe合金；NiFe合金；NiCo合金；或者包含Co、Fe、或Ni的合金材料。作为被固定层16的材料，同样希望为fcc-CoFe合金、bcc-FeCo合金等。作为被固定层16可用2nm的Co90Fe10层。
与被固定层14同样，被固定层16可以是非晶金属层来替代晶体金属层。具体来说，可使用CoFeB、CoZrNb、FeZrN、FeAlSi等。用非晶合金层的一个优势在于，由于下列原因(1)和(2)各元素间往往不会有特性变化发生。
(1)不会发生因晶粒表面的不规则而引起的不规则性。
(2)即便是元素尺寸很小的情况下，也不需要考虑某一种元素的晶粒数目变化这种问题。
如上文所述，固定层17较好是设置于被固定层16上从而呈现足够的固定功能。在这种情况下，被固定层16可以具有与被固定层14情形相同的结构。举例来说，被固定层16可以具有利用Ru等的合成被固定结构。此外，可采用IrMn、PtMn等反铁磁层或者CoPt、CoPtCr等硬磁层固定该被固定层16。具体来说，该被固定层16可具有下列结构(1)和(2)中的任一种。
(1)CoFe[2nm]/Ru
/CoFe[2nm]/IrMn[6nm](2)bcc-FeCo[2.5nm]/Ru
/CoFe[3.0nm]/IrMn[6nm] 同样也可使用如同用于固定被固定层14的硬磁层作为固定层17，用于固定被固定层16。这种情况下，被固定层16可以是被固定层161/磁耦合层162/被固定层163这一多层结构，可以具有诸如CoFe[2nm]/Ru
/CoPt[3.2nm]这类结构。此时，可用CoPt的硬磁层替代反铁磁层(固定层17)以及与该反铁磁层相接触的磁性层(被固定层163)。此外，同样可避免设置磁耦合层162(Ru
)，可利用CoPt[3nm]替代CoFe[2nm]/Ru
/CoPt[3.2nm]作为被固定层16的材料。
遮盖层18设置于固定层17或被固定层16上。作为遮盖层18可使用Cu/Ta层、Ru/Ta层、Ta层等。在没有提供固定层17的情形将遮盖层18直接设置于被固定层16上的情况下，较好是有Cu层或Ru层设置于磁性层(被固定层16)上。此时Cu或Ru的厚度较好为约0nm至约2nm。作为遮盖层18的材料，可采用Ta、Ti、Zr、W、Nb、Cr、Mo、V、或Hf，或者包含上述元素其中任何一种的合金材料，或包含上述元素其中任何一种的导电氧化物或氮化物。其厚度较好为约1nm至约5nm。
A.磁阻效应的发生机制(1) 下面说明如何在磁阻膜10中发生磁阻效应的物理机制。但目前无法完全了解如何发生磁阻效应的物理机制的某些部分。
R-H(阻抗-磁场)环路和M-H(磁化-磁场)环路的测定表明，当磁阻效应发生时被固定层16的磁化方向在没有固定层17的情况下基本上固定。具体来说，经由固定层13、被固定层14、以及外部磁场检测层15使上磁性层(被固定层16)的磁化方向固定。
外部磁场检测层15采用诸如TiOx这类通常认为是非磁性的材料。但由于下列原因(1)至(3)，外部磁场检测层15有可能呈现弱磁性。
-原因1)外部磁场检测层15具有1.2nm这种非常薄的厚度，其上下侧设置的被固定层14、16均为磁性层。因此，外部磁场检测层15因交换长度(exchange length)而受到被固定层14、16的影响，从而会有可能呈现磁性。
-原因2)外部磁场检测层15中包含的诸如Ti这类3d族过渡金属元素会有可能使外部磁场检测层15呈现磁性。
-原因3)因为诸如Co或Fe这类磁性元素其中某一数量从被固定层14、16扩散，所以外部磁场检测层15会有可能包含磁性元素。
当呈现磁性时，外部磁场检测层15可以起到其磁化方向随外部磁场变化的自由层的作用。可以认为，当外部磁场检测层15具有的磁化方向与上下被固定层14、16的磁化方向相平行时，磁阻膜10具有较低的阻抗，而当外部磁场检测层15具有反向平行的磁化方向时，磁阻膜10便具有较高的阻抗。举例来说，当没有施加磁场时，外部磁场检测层15的磁化方向与被固定层14、16的磁化方向基本上正交。
但在目前通过VSM(vibrating sample magnetometer，振动样本磁强计)所实现的磁化测定结果准确度的条件下，尚未观察到TiOx层的磁化。如果TiOx层的磁化存在的话，可以推测其非常小。
除了之前所述的氧化物层、氮化物层、或氧氮化物层以外，还可以采用很容易呈现弱磁性的、包含Ti、V、Cr、Mn、或Pd作为主要组分的金属材料。其它元素可以加入到包含任何上述元素作为主要组分的金属材料。这里主要组分是指其含量为50原子％(atomic％)或以上的组分。该定义同样适用于其他说明。当使用任何上述元素时，其厚度小至约1nm至约3nm的话，同样因上下铁磁材料(被固定层14、16)的影响而会有弱磁性即磁化发生。
B.磁阻效应的发生机制(2) 作为磁阻效应的发生机制(2)，可设想外部磁场检测层15没有磁化(因此不存在磁化随外部磁场变化的情况)但检测外部磁场的情况。下面说明这种情况的物理机制。
很有可能存在包含TiOx等作为主要组分的外部磁场检测层15在不具有其感应外部磁化的净力矩的情况下检测外部磁场这种情形。传导电子在被固定层14、16之间流进/流出。当传导电子通过外部磁场检测层15时，传导电子的自旋反转发生一次而不会因为外部磁场的影响发生多次。传导电子流向的被固定层14、16其中任何一层和外部磁场检测层15之间的界面中阻抗随此时自旋的方向而变化。
图4A和图4B示出磁阻效应的发生机制(2)。
传导电子从被固定层16流至被固定层14。图4A中，施加的是与被固定层14、16的磁化方向正向平行的外部磁场H+，传导电子的自旋并不反转。这种状态下，磁阻膜具有较低的阻抗。另一方面，图4B中，施加的是与被固定层14、16的磁化方向反向平行的外部磁场H-，传导电子的自旋在外部磁场检测层15中反转。这种状态下，磁阻膜具有较高的阻抗。
这里，当施加与被固定层14、16的磁化方向相平行的磁场H+时磁阻膜具有较低的阻抗，当施加反向平行的磁场H-时磁阻膜具有较高的阻抗。但随外部磁场检测层15和被固定层14、16材料的选择，这种关系会有可能相反。也就是说，在某些情况下，当施加与被固定层14、16的磁化方向相平行的磁场H+时阻抗会变得较高，而当施加反向平行的磁场H-时该阻抗会变得较低。
通常而言，传导电子的自旋并不因外部磁场而直接反转。可以认为，外部磁场检测层15的内侧处于很容易因外部磁场而引起传导电子的自旋直接反转的状态。虽未了解该微观机制的细节，但可以推断外部磁场检测层15较好是处于具有净力矩状态和无净力矩状态两者间的临界状态。从这个观点出发，作为外部磁场检测层15来说希望使用很容易呈现磁性的3d族过渡金属的氧化物层、氮化物层、或氧氮化物层。
此外，作为外部磁场检测层15的材料来说可使用包含很容易呈现磁性的Ti、Cr、V、Mn、或Pd金属元素作为主要组分的金属材料。
C.磁阻效应的发生机制(3) 即使是外部磁场检测层15本身不具有磁化，也可推断上下磁性层(被固定层14、16)经由外部磁场检测层15处于强磁耦合状态(自耦合状态)。很有可能会发生该现象，其原因在于外部磁场检测层15中对磁耦合具有贡献的局部的电子的存在与因外部磁场而引起自旋反转的传导电子是分开的。
这种情况下，需要仅设置与被固定层14、16相对应的固定层13、17其中的一层，可省略固定层13、17其中的另一层。由于经由外部磁场检测层15的磁耦合，其上未设置有固定层的被固定层14、16其中的一层与被固定层14、16其中的另一层自耦合。
由于固定层13、17其中的一层可以省略，因而磁阻膜10的总厚度可以减小。
此外，自耦合效应所产生的好处在于，即便是仅设置有固定层13、17其中一层的情况下也可利用多层外部磁场检测层15。具体来说，多层磁性层经由多层外部磁场检测层15磁耦合，并且全部上述磁性层可用作被固定层。对多层外部磁场检测层15的使用表明存在多个自旋相依散射单元，从而可期望较高的磁阻率。
(磁阻元件的制造方法) 下面说明磁阻元件的制造方法。
如图5中的流程图所示，基底层12至遮盖层18依次层叠于衬底上。上述各层层叠之后，被固定层14、16的磁化方向固定。磁化方向可以通过例如热处理过程中施加磁场来固定。如稍后将要说明的那样，当采用硬磁层作为固定层13、17时，可通过施加几十秒钟至几分钟时间约10kOe至约15kOe量级的磁场来使被固定层14、16的磁化固定。
可应用下列两种方法(1)和(2)形成外部磁场检测层15。
(1)形成了作为尚未经过氧化、氮化、或者氧氮化的基底材料的金属材料膜之后，使金属材料的表面经过氧化。可采用溅射、沉积、MBE、离子束溅射、CVD等方法形成该金属材料的膜。
(2)直接形成氧化物层、氮化物层、或氧氮化物层。可采用溅射、沉积、MBE、离子束溅射、CVD等方法形成该层。
这里，作为(1)中的表面氧化可采用自然氧化或能量辅助氧化。
1)在自然氧化过程中，形成基底材料的金属膜之后，该薄膜的表面暴露于含氧或含氮气体中。含氧或含氮气体的实例是氧气、氮气、氧和氮的混合气体、氧气和稀有气体的混合气体、氮气和稀有气体的混合气体、以及氧气、氮气和稀有气体的混合气体。
2)在能量辅助氧化过程中，金属材料由含氧或含氮气体氧化、氮化或氧氮化，同时该膜表面受到离子束、等离子体等的照射。能量辅助氧化同样包括通过加热衬底来利用热能的热氧化方法。此外，可采用离子束或等离子体照射和加热两者组合的方法。
接下来说明用于制造磁阻元件的薄膜形成设备。
如图6所示，薄膜形成设备包括分别经由各闸门阀(gate valves)设置于过渡腔(TC)50周围的负载固定腔51、预清洗腔52、第一金属沉积腔(MC1)53、算二金属沉积腔(MC2)54、以及氧化物层/氮化物层形成腔(OC)60。该薄膜形成设备中，衬底能够在真空中在经由闸门阀(gate valve)连接的各腔室间传送，所以使该衬底表面保持洁净。每个腔室的最终真空度希望处于10-8托至10-10托量级。出于实际应用的角度来考虑，所希望的真空度一般处于10-9托量级。
金属沉积腔53、54具有多靶(5至10)。薄膜形成方法的实例是诸如DC磁控溅射或RF磁控溅射、离子束溅射方法这类溅射方法、诸如CVD(Chemical Vapor Deposition(化学气相沉积))方法、MBE(Molecular Beam Epitaxy(分子束外延生长))这类沉积方法等。
外部磁场检测层15由氧化物层、氮化物层、以及氧氮化物层其中之一形成，因此在氧化物层/氮化物层形成室60中形成。如上文所述，外部磁场检测层15可以用表面氧化方法形成，或者可以直接形成氧化物层/氮化物层/氧氮化物层。
(实例) 接下来说明本发明其中一例。该例的磁阻膜10的结构具有下列结构-下电极11-基底层12(缓冲层12a/种子层12b)Ta[5nm]/Ru[2nm]
-固定层13PtMn[15nm]-被固定层14(被固定层141/磁耦合层142/被固定层143)CoFe[3nm]/Ru
/CoFe[3nm]-外部磁场检测层15TiOx[2nm]-被固定层16(被固定层161/磁耦合层162/被固定层163)CoFe[3nm]/Ru
/CoFe[3nm]-固定层17PtMn[15nm]-遮盖层18Ta[5nm] 形成旋阀膜之后，在10kOe磁场中进行4小时的290度热处理来改善结晶性并实现规则的PtMn。此后，旋阀膜的元件尺寸由光刻工艺限定，并形成上电极20。
与TiOx(外部磁场检测层15)相接触的上下CoFe层(被固定层143和被固定层161)的磁化方向固定为相同方向。此外，上述CoFe层(被固定层143和被固定层161)经由Ru(磁耦合层142、磁耦合层162)以反铁磁(反向平行)的方式处于与设置于其上下外部侧的CoFe层(被固定层141和被固定层163)强磁耦合的状态。
上述CoFe层(被固定层143和被固定层161)由设置于其外侧的IrMn层(固定层13、17)固定。固定方向由前文所述的磁性热处理过程中所施加的磁场的值来调整。
这里采用反铁磁层作为固定层13。但作为替代，也可以采用硬磁层作为固定层13。这种情况下，有可能通过在室温下施加约10[kOe]至约15[kOe]的铁磁场而不是通过在热处理过程中施加磁场来使固定层13磁化。在硬磁层用于固定的情况下，较好是在旋阀膜形成之后进行用于改善结晶性的热处理。
如稍后所说明的那样，也可使用反铁磁层和硬磁层两者来分别固定上下被固定层14、16。这种情况下，反铁磁层和硬磁层可以分别被磁化。由反铁磁层固定的过程中，通过磁性热处理过程中所施加的磁场的方向来调整磁化方向。而由硬磁层固定的过程中，可通过磁性热处理之后10kOe至15kOe的磁化工艺按任意方向使被固定层磁化，而不需要考虑反铁磁层所固定的磁化方向如何。举例而言，可使硬磁层的磁化按与反铁磁层所固定的磁化方向反向平行的方向固定。
该例中的磁阻膜10在施加有正向方向(与被固定层161、143的磁化方向相平行的磁化方向)的磁场时具有较低的阻抗，而施加有大约100[Oe]的反向方向(与被固定层161、143的磁化方向反向平行的磁化方向)的磁场时则具有较高的阻抗。该例的磁阻膜10中，面阻抗RA为4000[mΩμm2]，并且磁阻率MR为16％。面积阻抗RA的数值非常大，但可以通过材料和工艺的优化来减小。
图7是一例磁阻膜的剖面TEM照片。由图7可知，TiOx层(外部磁场检测层15)沿CoPe层(被固定层143)的晶粒形成。该TiOx层是连续的，没有任何针孔(pinhole)。外部磁场检测层15因而是连续的，所以即便是元件尺寸微小至50nm或更小，每个元件的变化也有所减小。
下面说明磁阻膜10的特性如何随制作条件而变化。
图8是示出当磁阻膜10中形成有TiOx层(外部磁场检测层15)时氧气流量和磁阻率MR两者间相关性的图表。此时的薄膜结构与上述实例的结构相同。
由图8可知，当氧气供应量较小(氧化不充分)时，观察不到磁阻率MR的增加。当氧气供应量达到一定值时，磁阻率急剧增加。而当氧气供应量太大时，磁阻率MR急剧降低。也就是说，为了使磁阻膜10具有更好的特性，需要适当选择形成外部磁场检测层15的氧化条件。
(磁阻膜的多层结构) 接下来说明磁阻膜的多层结构。如上文所述，被固定层14/外部磁场检测层15/被固定层16这三层结构构成磁阻膜10的基本结构，但该多层结构可有所变化。
-多层膜结构A上下被固定层14、16两者均具有合成被固定结构的情形。
图9至图14是示出其中上下被固定层两者均具有合成被固定结构的磁阻膜10AA至10AF其结构例的立体图。图9至图14中的各结构与图2所示的结构基本相同。如同固定层13、17，反铁磁层131、171和硬磁层132、172是按可变方式组合的。
磁阻膜10AA中，反铁磁层131、171用作上下固定层13、17。因此，上下反铁磁层(被固定层14、16)的固定作用由磁性退火过程中所施加的磁场的方向确定。因此，被固定层141、163具有相同的磁化方向。与外部磁场检测层15相接触的被固定层143、161其磁化方向与被固定层141、163的磁化方向反向平行，并且基本相同。作为固定层131、171，可以采用IrMn、PtMn、PdPtMn、NiMn、RuMn、RhMn、RuRhMn等的金属反铁磁层等。
磁阻膜10AB中，上下被固定层14、16由硬磁层132、172固定。可用作硬磁层132、172的材料包括其主要组分为hcp-Co的Co、Co合金、CoPt、CoPrCr合金、FePt以及加入有添加元素的任何上述材料。
磁阻膜10AC中，反铁磁层131用作固定层13，而硬磁层172则用作固定层17。前面所述的材料可用于反铁磁层131和硬磁层172。这里，与外部磁场检测层15相接触的被固定层143、161的磁化方向与磁阻膜10AB的磁化方向相同。硬磁层172的磁化固定从而实现这样一种磁化配置状态。这里，硬磁层172和被固定层163可以是分开的磁性层，或者单层材料可以起到两者的功能。为两层分开层的话，可独立设计具有硬磁特性的磁性层(硬磁层172)和有利于改善磁阻率的磁性层(被固定层163)。
磁阻膜10AD具有与磁阻膜10AC基本相同的结构，但硬磁层172的磁化固定方向与磁阻膜10AC的情形相反。也就是说，硬磁层172的磁化被固定成使得与外部磁场检测层15相接触的被固定层143、161的磁化方向彼此反向平行。如同磁阻膜10AA中的情形，将反铁磁层131、171用作各自的固定层13、17，使得被固定层143、161具有相同的磁化方向。而当使用硬磁层172时，可通过在磁性热处理之后施加较大的磁场来使磁化在任何方向上固定。这样可以实现诸如磁阻膜10AC、磁阻膜10AD这类结构变形。
磁阻膜10AE、磁阻膜10AF的结构中，磁阻膜10AC、磁阻膜10AD的上下固定层彼此互换。硬磁层132设置于外部磁场检测层15的下侧。如同磁阻膜10AC、磁阻膜10AD，磁阻膜10AE和磁阻膜10AF中硬磁层132的磁化固定方向彼此相反。
磁阻膜10AE、10AF的结构与磁阻膜10AC、10AD的结构在下列方面有所不同。具体来说，磁阻膜10AE、10AF的结构中，硬磁层132设置于基底层一侧。因此，对于硬磁层132下方的基底层12来说，可选择加强硬磁性的基底材料。举例来说，作为基底层12可以选用包含Cr、W、V等并具有bcc结构的金属层，来实现硬磁层的面内磁化方向。此外，作为基底层12可以采用适合于使硬磁层132成为具有垂直于平面的磁化方向的垂直磁化膜的材料。可以用作垂直磁化膜的材料为包含Co的合金，具体来说CoCr或CoCrPt；这两种其中具有添加元素的任一种合金；FePt等。
-多层膜结构B上下被固定层14、16均具有单层被固定结构的情形 图15至图20是示出其中上下被固定层均具有单层被固定结构的磁阻膜10BA至10BF的结构例的立体图。磁阻膜10BA至10BF与磁阻膜10AA至10AF基本相同，不同之处在于上下被固定层14、16均具有单层被固定结构。
用单层被固定结构替代合成被固定结构能够减小旋阀膜的总厚度。但不用该合成结构则存在被固定磁场比用合成被固定结构的情形弱这种可能。根据所需的技术规范，可有选择地适用磁阻膜10AA至10AF的结构和磁阻膜10BA至10BF的结构。
磁阻膜10BA中，反铁磁层131、171分别用作上下固定层13、17。上下反铁磁层131、171的固定由磁性退火过程中所施加的磁场其方向确定。因此，被固定层14、16的磁化方向相同。这里可用作反铁磁层131、171的实例为IrMn、PtMn、PdPtMn、NiMn、RuMn、RhMn、或RuRhMn的金属反铁磁层。
磁阻膜10BB中，上下被固定层14、16分别由硬磁层132、172固定。此时，硬磁层132、172同样可起到被固定层的功能。就硬磁层132、硬磁层172而言，也可以采用其主要组分为hcp-Co的Co、Co合金、CoPt、CoPrCr合金或FePt，或者也可以采用加有添加元素的任何上述材料。
磁阻膜10BC中，反铁磁层131用作固定层13，而硬磁层172用作固定层17。反铁磁层131和硬磁层172可以由上述材料形成。这里，与外部磁场检测层15相接触的被固定层143、161的磁化方向彼此反向平行。硬磁层172的磁化方向固定从而实现这样一种磁化配置方向。这里，硬磁层172和被固定层161可以是分开的磁性层，或者单层材料可起到两者的功能。硬磁层172和被固定层161为两层分开层的话，可以独立设计具有硬磁特性的磁性层(硬磁层172)和有利于改善磁阻率的磁性层(被固定层163)。
磁阻膜10BD具有与磁阻膜10BC基本相同的结构，但硬磁层172的磁化固定方向与磁阻膜10BC情形相反。也就是说，硬磁层172的磁化被固定成使得与外部磁场检测层15相接触的被固定层143、161的磁化方向彼此平行。如同磁阻膜10BA中的情形，反铁磁层131、171将合成被固定结构用作固定层13、17两者，使得被固定层143、161具有相同的磁化方向。另一方面，用硬磁层172的话，可通过在磁性热处理之后施加较大的磁场来使磁化固定在任何方向上。这可以实现诸如磁阻膜10BC、磁阻膜10BD这类结构变形。
磁阻膜10BE、10BF的结构中，磁阻膜10BC、10BD的上下层彼此互换。硬磁层132设置于外部磁场检测层15的下侧。如同磁阻膜10BC、10BD情形，磁阻膜10BE、10BF中硬磁层132的磁化固定方向彼此相反。
磁阻膜10BE、10BF的结构与磁阻膜10BC、10BD的结构在下列方面有所不同。具体来说，磁阻膜10BE、10BF的结构中，硬磁层132设置于基底层12一侧。因此，对于硬磁层132下方的基底层12而言，可选用加强硬磁性的基底材料。举例来说，作为基底层12可以选用包含Cr、W、V等并具有bcc结构的金属层来实现硬磁层132的面内磁化方向。此外，作为基底层12可采用适合于使硬磁层132成为具有垂直于平面的磁化方向的垂直磁化膜的材料。与前文所述的情形同样，可以用作垂直磁化膜的材料为包含Co的合金，具体来说是CoCr或CoCrPt；这两种中具有添加元素的任一种合金；FePt等。
-多层膜结构C被固定层14具有合成被固定结构，而被固定层16具有单层被固定结构的情形 图21至图25是示出其中上下被固定层其中一层具有合成被固定结构而另一层则具有单层被固定结构的磁阻膜10CA至10CE的结构例的立体图。图21至图25所示的磁阻膜10CA至10CE中，被固定层14具有合成被固定结构，被固定层16具有单层被固定结构。
磁阻膜10CA中，反铁磁层131、171用作上下固定层13、17。上下反铁磁层131、171的固定方向由磁性退火过程中所施加的磁场的方向确定。因此，被固定层141、被固定层161的磁化方向相同。
但与磁阻膜10AA至10AF的情形有所不同，该被固定层16不具有合成被固定结构。因此，即便是反铁磁层131、171所固定的磁化方向相同，与外部磁场检测层15相接触的被固定层143、161其磁化方向也彼此反向平行。这里可用作反铁磁层131、171的实例为IrMn、PtMn、PdPtMn、NiMn、RuMn、RhMn、或RuRhMn等的金属铁磁层。
磁阻膜10CB中，反铁磁层131用作固定层13，而硬磁层172则用作固定层17。可用作硬磁层172的材料的实例包括其主要组分为hcp-Co的Co、Co合金、CoPt、CoPrCr合金、FePt，或者加有添加元素的任何上述材料。
磁阻膜10CC中，如同磁阻膜10CB情形，反铁磁层131用作固定层13，而硬磁层172用作固定层17。反铁磁层131和硬磁层172可以由上述材料形成。这里，与外部磁场检测层15相接触的被固定层143、161的磁化由硬磁层172固定从而彼此平行。这里，硬磁层172和被固定层161可以是分开的磁性层，或者单层材料可起到两者的功能。硬磁层172和被固定层161为两层分开层的话，可以独立设计具有硬磁特性的磁性层(硬磁层172)和有利于改善磁阻率的磁性层(被固定层161)。
磁阻膜10CD的结构中，磁阻膜10CB中的上下侧彼此互换。也就是说，硬磁层132用作固定层13，而反铁磁层171用作固定层17。硬磁层132设置于基底层12一侧，所以就硬磁层132下方的基底层12而言，可以选用加强硬磁性的基底材料。举例来说，作为基底层12可用例如包含Cr、W、V等并具有bcc结构的金属层，从而实现硬磁层132的面内磁化方向。此外，作为基底层12可使用适合于使硬磁层132具有垂直磁化方向的材料。
磁阻膜10CE中，硬磁层132固定的磁化方向与磁阻膜10CD情形相反。磁阻膜10CE在外部磁场检测层15的上下两侧的被固定层143、161的磁化固定方向上与磁阻膜10CD有所不同。
-多层膜结构D被固定层14具有单层被固定结构，而被固定层16具有合成被固定结构的情形 图26至图30是示出除了被固定层14具有单层被固定结构而被固定层16具有合成被固定结构以外、其他均与磁阻膜10CA至10CF相同的磁阻膜10DA至10DE的结构例的立体图。
-多层膜结构E存在单一固定层的情形 图31至图34是示出因机制(3)而发生磁阻效应的磁阻膜10EA至10ED的结构例的立体图。磁阻膜10EA至磁阻膜10ED中，外部磁场检测层15上下侧的磁性层(被固定层143、161)处于彼此经由外部磁场检测层15强磁耦合的状态。这种情况下，由于被固定层143、161彼此经由外部磁场检测层15的强磁耦合，固定层13、17其中之一可以省略。
磁阻膜10EA、10EB中，固定层13仅设置于被固定层14一侧，而该被固定层14被磁固定。磁阻膜10EA将反铁磁层131用作固定层13，并具有合成被固定结构。磁阻膜10EB将硬磁层132用作固定层13，并具有合成被固定结构。由于与被固定层143的磁耦合，因而被固定层161的磁化固定。结果是，固定层13被固定层14、16共用。
磁阻效应膜10EC、10ED中，固定层17仅设置于被固定层16一侧，该被固定层16按磁方式固定。磁阻膜10EC将反铁磁层171用作固定层17，并具有合成被固定结构。磁阻膜10ED将硬磁层172用作固定层17，并具有合成被固定结构。
磁阻膜10EA至10ED均为具有合成被固定结构的实例。作为合成被固定结构的替代，也可用单层被固定结构。
-多层膜结构F设置有多层外部磁场检测层15的情形 图35和图36所示的磁阻效应膜10FA、10FB分别具有多层外部磁场检测层15。
该结构在因机制(3)而发生磁阻效应的情况下有效。在设置有多层外部磁场检测层15的情况下，由于多层膜结构，某些被固定层不会与固定层13直接接触。但因机制(3)而发生磁阻效应的话，上下磁性层(被固定层)处于经由外部磁场检测层15磁耦合的状态。这使得这种结构成为可能。这种结构中，属于发生磁阻效应的重要层的外部磁场检测层15按多层设置，这样可以随层数增加磁阻率。
磁阻膜10FA将反铁磁层131用作固定层13，并具有合成被固定结构。但作为反铁磁层131的替代，可以将硬磁层132用作固定层13。
外部磁场检测层15a设置于具有合成被固定结构的被固定层14上，其上设置有被固定层161a。被固定层143和该被固定层161a处于经由外部磁场检测层15a强磁耦合的状态。
被固定层161a上设置有外部磁场检测层15b和被固定层161b。被固定层161a、161b经由外部磁场检测层15b靠固定层13固定。
具体来说，仅利用单个固定层13，便可经由外部磁场检测层15a、15b固定多层被固定层161a、161b的磁化。由于存在多层外部磁场检测层15a、15b，可与外部磁场检测层的数目成正比增加磁阻率。
与磁阻膜10FA同样，磁阻膜10FB在下层一侧具有单个固定层13，并具有合成被固定结构。磁阻膜10FB将反铁磁层131用作固定层13。但作为反铁磁层131的替代，可使用硬磁层132。
磁阻膜10FB中，外部磁场检测层15的数目比磁阻膜10FA的情形多一层，从而其总数目为3层。由于外部磁场检测层15数目的增加，磁阻率可以具有较大的数值。被固定层161a至161c经由多层外部磁场检测层15a、15b、15c靠固定层13固定。
(磁阻元件的应用) 接下来说明本发明实施例的磁阻元件(无间隔层自旋阀元件)的应用。
本实施例中，从适应于高密度的角度出发，无间隔层自旋阀元件的元件阻抗RA较好为2000mΩμm2或以下，最好是1000mΩμm2或以下。CPP元件的阻抗R与旋阀膜的电流导通部分的有效面积A相乘，以便计算元件阻抗RA。这里可直接测定元件阻抗R。而自自旋阀膜的电流导通部分其有效面积A是与元件结构相关的数值，有效面积A的数值必须仔细确定。
举例来说，在整个旋阀膜形成有布图作为有效检测区域的情况下，整个旋阀膜其面积是有效面积A。这种情况下，从合适设定元件阻抗的角度考虑，旋阀膜的面积最多设定为0.04μm2或以下，并且对于200Gbpsi或以上这种记录密度而言，该面积设定为0.02μm2或以下。
但面积比旋阀膜小的下电极11或上电极20形成为与自自旋阀膜相接触的话，下电极11或上电极20的面积便为旋阀膜的有效面积A。下电极11和上电极20其面积有所不同的话，较小电极的面积便为旋阀膜的有效面积A。这种情况下，从合适设定元件阻抗的角度考虑，较小电极其面积最多设定为0.04μm2或以下。
下面详细说明的图37和图38所示例中，由于图37中的旋阀膜中面积最小的部分是与上电极20相接触的部分，因而该部分的宽度定义为轨迹宽度Tw。至于高度方向，与图38中的上电极20相接触的部分同样最小，因此该部分的宽度定义为高度长D。旋阀膜的有效面积A定义为A＝Tx×D。
本实施例的磁阻元件中，各电极之间的阻抗R可设定为100Ω或以下。该阻抗R是例如附接于HGA(head gimbal assembly，磁头悬架组件)的尖端上的再生磁头的两个电极盘间所测定的阻值。
本实施例的磁阻元件，当被固定层14、16具有fcc结构时希望具有fcc(111)取向。被固定层14、16具有bcc结构的话，希望为Bcc(110)取向。被固定层14、16具有hcp结构的话，希望为Hcp(001)取向或hcp(110)取向。
至于本实施例的磁阻元件的晶体取向，该取向的散射角较好为5.0°以内，较理想的为3.5°以内，最好是3.0°以内。可以通过利用X射线衍射的θ-2θ测定所获得的峰值位置的摇摆曲线的半值宽度来求得该值。同样可以作为来自元件剖面的纳米衍射光点中的光点散射角求得该值。
反铁磁层用作固定层13的话，虽取决于反铁磁膜的材料，但反铁磁膜和被固定层的晶格间距一般有所不同，因此反铁磁膜的取向散射角和被固定层的取向散射角可以分别计算。举例来说，IrMn和被固定层往往晶格间距不同。由于IrMn为相对较厚的薄膜，因而属于适合对晶体取向的散射角进行测定的材料。
(磁头) 图37和图38示出本实施例的磁阻元件组装于磁头中的状态。图37是磁阻元件沿面向磁记录介质(未图示)的空气承载面ABS其基本上平行方向剖切的状态的剖面图。图38是磁阻元件沿空气承载面ABS其垂直方向剖切的状态的剖面图。
图37和图38作为一例所示的磁头具有所谓的硬对接结构。磁阻膜10是前文所述的无间隔层旋阀膜。上电极20和下电极11分别设置于磁阻膜10的上侧和下侧。图37中，有偏置场施加膜41和绝缘膜42分别层叠于磁阻膜10的两侧。如图38所示，遮盖层43形成于磁阻膜10的空气承载面ABS上。
按箭头A所示在薄膜平面的基本垂直方向上由磁阻膜10其上下两侧设置的上电极20和下电极11提供对磁阻膜10的检测电流。此外，由左右位置设置的成对的偏置场施加膜41、41对磁阻膜10加上偏置磁场同样也是优选例。通过该偏置磁场在磁阻膜10的外部磁场检测层15中形成单个磁畴。结果是，外部磁场检测层15的磁畴结构得到稳定，并且可以减小随磁畴壁移动所产生的Barkhousen噪声。但外部磁场检测层15(在因机制(1)、(2)而发生磁阻效应的情况下)没有磁化的话，该偏置场施加膜有时可以省略。
磁阻膜10应用于磁头时，由于其得以提高的信噪比(S/N比)，因而可以实现高灵敏度的磁再生。
(硬盘和磁头悬架组件) 图37和图38所示的磁头能够组装于记录/再生一体型的磁头组件中，该磁头组件进而可安装到磁记录/再生设备中。
图39中所示的本实施例的磁记录/再生设备150使用旋转致动器。图39中，磁盘200装载于主轴152上，并由响应未图示的驱动控制部输出的控制信号的未图示的电动机按照箭头A的方向旋转。本实施例的磁记录/再生设备150可包括多个磁盘200。
用于记录/再生磁盘200上存储的信息的磁头浮动块153附接于薄膜悬架154的尖端。磁头浮动块153在其尖端附近具有包括任一前文所述实施例的磁阻元件在内的磁头。
磁盘200旋转时，磁头浮动块153的空气承载面ABS相对于磁盘200的表面以预定高度保持悬浮。作为替代，磁头浮动块153也可以是会与磁盘200相接触的所谓“接触式”浮动块。
悬架154与致动臂155其中一端相连接。致动臂155其中另一端则设置有属于线性电机类型的音圈电动机156。该音圈电动机156包括下列组成部分卷绕于绕线管上的未图示的驱动线圈；以及包括彼此对置并夹有该驱动线圈的永磁铁和对置磁轭的磁路。
致动臂155由主轴157其上下两侧的两处位置设置的未图示的球轴承等所保持，可由音圈电动机156旋转/浮动。
如图40所示，组件160具有致动臂155，悬架154与致动臂155其中一端相连接。悬架154的尖端附接有设置有包括任一前文所述实施例的磁阻元件在内的磁头的磁头浮动块153。悬架154具有用于信号读写的引线164，并且该引线164与磁头浮动块153中所组装的磁头其各电极电连接。图40中的参照标号165标注该组件160的各电极盘。
本实施例的磁记录/再生设备，所具有的磁头其中包括前文所述的磁阻元件，因此能够可靠读取具有高记录密度的磁盘200上以磁方式记录的信息。
(磁存储器) 接下来说明包括任一前文所述实施例的磁阻元件在内的磁存储器。具体来说，对任一实施例的磁阻元件的使用可以实现例如其中存储单元按矩阵形式配置的MRAM(magnetic random access memory，磁随机存取存储器)这类磁存储器。
图41中所示的本实施例的磁存储器具有其中存储单元按阵列形式配置的电路配置。设置有列译码器350和行译码器351用于选择阵列中的一个数字位，并通过选择特定位线334和特定字线332，来导通并唯一性地选择开关晶体管330。读出放大器352检测该选择，由此能够读出磁阻膜10中磁记录层(自由层)上记录的位信息。要写入位信息，则使写入电流通过特定读取字线323和位线322，从而施加所产生的磁场。
图42中所示的本实施例的另一例磁存储器中，分别由译码器360、361选择位线322其中一个特定位线和字线334其中一个特定字线，其中位线322和字线334按矩阵形式配置。因此从该阵列当中选中一特定的存储单元。每个存储单元具有磁阻膜10和二极管D串联连接这种结构。这里，二极管D用于防止检测电流流至所选定的磁阻膜10相对应的存储单元以外的其他存储单元。要写入信息，则使写入电流通过特定位线322和字线323，从而施加所产生的磁场。
图43和图44中所示的结构与图41或图42所示的磁存储器中包括的单个位的存储单元相对应。该存储单元具有存储元件部311和地址选择晶体管部312。
存储元件部311具有磁阻膜10和与其连接的一对导线322、324。磁阻膜10是任意前文所述实施例的磁阻元件。
地址选择晶体管部312中，设置有通过通孔326和埋线328与磁阻膜10连接的晶体管330。晶体管330随加到控制极332上的电压进行开关操作来控制磁阻膜10和导线334两者间电流通路的开通/关断。
此外，写入线323设置于磁阻膜10的下方，在导线322延伸方向的基本正交方向上延伸。该写入线322、323可以由例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钽(Ta)或者包含上述元素其中之一的合金形成。
具有如上所述结构的存储单元中，要将位信息写入磁阻膜10，则将写入脉冲电流送至导线322、323，从而施加由这些电流所感应的合成磁场，由此使磁阻元件的记录层的磁化相应反转。
要读出位信息，则使检测电流通过导线322、包括磁记录层的磁阻膜10以及下电极324，于是可测定磁阻膜10的阻值或阻值变化。
本实施例的磁存储器采用任意前文所述实施例的磁阻元件，即便是单元尺寸减小，也能够通过可靠控制记录层的磁畴来确保正确读写。
(其他实施例) 本发明不局限于上述实施例，可以对其进行扩展和修改。经过扩展和修改的实施例同样为本发明技术范围所包括。
本领域技术人员可以对磁阻膜的特定结构以及各电极、偏置施加膜、绝缘膜等的特定形状和材料，通过在公知范围内进行适当选择，同样实施本发明从而产生同样的效果。举例来说，将磁阻元件应用于再生磁头时，磁头的检测分辨率可通过提供该元件上下两侧的磁屏蔽来确定。
此外，本发明实施例不仅适用于纵向磁记录类型的磁头或磁再生设备，还适用于垂直的磁记录类型的磁头或磁再生设备。
而且，本发明的磁再生设备可以是始终设置有特定的记录介质的所谓“固定”类型的磁再生设备，也可以是其中记录介质可变的所谓“可移除”类型的磁再生设备。
除此之外，本发明的范围同样包括本领域技术人员可通过适当改变基于如上文所述本发明实施例的磁头以及磁记录/再生设备的设计所实现的全部磁阻元件、磁头、磁记录/再生设备、以及磁存储器。
权利要求
1.一种磁阻元件，其特征在于，包括具有基本上固定的磁化方向的第一磁性层；设置于所述第一磁性层上、具有氧化物、氮化物、氧氮化物、以及金属其中至少一种的薄膜层；以及设置于所述薄膜层上、具有基本上固定的磁化方向的第二磁性层。
2.如权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述薄膜层包括包含从钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、钼(Mo)、以及钨(W)中选出的至少一种元素的氧化物、氮化物、或氧氮化物。
3.如权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述薄膜层包括包含从钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、以及钯(Pd)中选出的至少一种元素的金属。
4.如权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述薄膜层具有的厚度不小于0.5nm，也不大于3nm。
5.如权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述薄膜层具有随外部磁场变化的磁化方向。
6.如权利要求5所述的磁阻元件，其特征在于，当没有施加外部磁场时，所述第一和第二磁性层的磁化方向均与所述薄膜层的磁化方向基本上正交。
7.如权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述第一和第二磁性层其中至少一层包含从铁(Fe)、钴(Co)、以及镍(Ni)中选出的至少一种元素作为主要组分。
8.如权利要求7所述的磁阻元件，其特征在于，所述第一和第二磁性层其中至少一层包含从面心立方的钴铁合金(fcc-CoFe合金)、体心立方的铁钴合金(bcc-FeCo合金)、面心立方的镍铁合金(fcc-NiFe合金)、以及密排六方的钴合金(hcp-Co合金)中选出的至少一种合金。
9.如权利要求7所述的磁阻元件，其特征在于，所述第一和第二磁性层其中至少一层包括非晶合金材料。
10.如权利要求9所述的磁阻元件，其特征在于，非晶合金材料包含从钴铁硼(CoFeB)合金、钴锆铌(CoZrNb)合金、铁锆氮(FeZrN)合金、以及铁铝硅(FeAlSi)合金中选出的一种合金作为主要组分。
11.如权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，进一步包括使所述第一和第二磁性层其中至少一层的磁化固定的反铁磁层或硬磁层。
12.如权利要求11所述的磁阻元件，其特征在于，所述反铁磁层包括锰(Mn)合金。
13.如权利要求12所述的磁阻元件，其特征在于，锰(Mn)合金包含铱锰(IrMn)和铂锰(PtMn)合金其中一种作为主要组分。
14.如权利要求11所述的磁阻元件，其特征在于，所述硬磁层包含从钴(Co)、钴铂(CoPt)、钴铬铂(CoCrPt)、以及铁铂(FePt)中选出的至少一种金属作为主要组分。
15.如权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，进一步包括在与所述第一和第二磁性层的薄膜平面垂直的方向上提供电流的电流提供单元。
16.如权利要求15所述的磁阻元件，其特征在于，所述电流提供单元具有一对电极。
17.一种磁头，其特征在于，包括如权利要求1所述的磁阻元件。
18.一种磁记录装置，其特征在于，包括如权利要求17所述的磁头。
19.一种磁存储器，其特征在于，包括如权利要求1所述的磁阻元件。
20.一种磁阻元件的制造方法，其特征在于，包括下列步骤形成第一磁性层；在所述第一磁性层上形成金属层；通过对所述金属层进行氧化来形成薄膜层；在所述薄膜层上形成第二磁性层；以及使所述第一和第二磁性层的磁化方向固定。
全文摘要
本发明的磁阻元件包括具有基本上固定的磁化方向的第一磁性层；设置于该第一磁性层上、具有氧化物、氮化物、氧氮化物、以及金属其中至少一种的薄膜层；以及设置于该薄膜层上、具有基本上固定的磁化方向的第二磁性层。
文档编号G11C11/16GK101064358SQ200710102978
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月27日 优先权日2006年4月28日
发明者福泽英明, 藤庆彦, 汤浅裕美, 岩崎仁志 申请人:株式会社东芝