专利名称：磁致电阻效应元件、磁头、磁再生装置和磁存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁致电阻效应元件、磁头、磁再生装置和磁存储器。更具体地，涉及在与磁致电阻效应膜的膜面垂直的方向上流动检测电流的结构的磁致电阻效应元件、及使用它的磁头、磁再生装置和磁存储器。
背景技术：
近年来，由于随着磁记录媒体的小型化和大容量化，读出信息时的再生用磁头与磁记录媒体的相对速度减小，所以很期待有即使相对速度小也可以取出大的输出的MR头。
对此，已报告有用铁磁性层/非磁性层/铁磁性层的夹层结构，即使在铁磁性层不进行反铁磁性结合时也实现了大的磁致电阻效应的例子。即，向夹着非磁性层(称为“间隔层”或“中间层”等)的两层铁磁性层中的一个(称为“钉扎层”或“磁化固定层”等)上施加交换偏磁场把磁化固定，用外部磁场(信号磁场等)使另一个铁磁性层(称为“自由层”或“磁化自由层”等)磁化反转。由此，通过改变夹着非磁性层配置的两个铁磁性层的磁化方向的相对夹角，获得大的磁致电阻效应。把这种多层膜叫作“自旋阀”。
由于自旋阀可以用低磁场使磁化饱和，适合用于MR磁头，已实用化。但是，其磁致电阻变化率最大也不过约20％，很希望有磁致电阻变化率更高的磁致电阻效应元件。
在磁致电阻效应元件中，有检测电流在与元件膜面平行的方向上流动的CIP(电流在面内)型的结构，和检测电流在与元件膜面垂直的方向上流动的CPP(电流与面垂直)型的结构，有报告说CPP型磁致电阻效应元件表现出为CIP磁致电阻效应元件的10倍左右的磁致电阻变化率，实现100％的磁致电阻变化率也不是不可能的。
但是，在自旋阀结构的场合，由于依赖自旋的层的总膜厚非常薄，界面数也少，所以在CPP型磁致电阻效应元件中垂直通电时电阻自身也减小，输出的绝对值也很小。在现有的CIP型磁致电阻效应元件采用的膜结构的自旋阀上垂直通电时，钉扎层和自由层的厚度为5nm时，每1μm2的输出绝对值AΔR为约0.5mΩμm2之小。即，为了使采用自旋阀的CPP型磁致电阻效应元件实用化，输出增大是重要的，为此，提高磁致电阻效应元件中的与自旋依赖传导有关的部分的电阻值，增大电阻变化量是极为重要的。
对此，已提出了为了提高磁致电阻效应(MR)，在自旋阀的膜中插入含绝缘体的电阻调节层的方法(参见非专利之献1或非专利文献2)。自旋阀包含电子的自旋依赖散乱的部分(钉扎层/间隔层/自由层)、和自旋依赖散乱小的部分(基底层、反铁磁性层、保护层等)。在前者的电阻为Rsd、后者的电阻为Rsi时，自旋阀的MR可用MR＝ΔRsd/(Rsi+Rsd)表示。由于Rsd比Rsi越大就越能提高MR，如上所述插入含绝缘体的电阻调节层。
电阻调节层包含不流过电流的完全绝缘体的部分、和流过电流的低电阻部分(金属路线(metal path))，在电阻调节层附近电流朝着金属路线变窄。这叫作“电流变窄效应”。电流变窄效应导致的电阻增加仅在电阻调节层附近产生，在离电阻调节层远的位置处的自旋依赖散乱无助于MR。因此，在电阻调节层附近配置自旋依赖散乱大的材料是有效的。
但是，自旋依赖散乱大的材料作为自由层大多磁特性差(参见专利文献1)。在自旋阀中要求自由层的磁特性优良。为了从磁记录媒体高灵敏度地读取信号磁场，自由层必须有软磁特性(低矫顽力)和低的磁致伸缩。决定该磁特性的是自由层的材料和结晶性。对于得到高MR的材料，为了满足磁特性，控制自由层的结晶性是重要的。
<非专利文献1>J.Appl.Phys.，89，p6943(2001)
<非专利文献2>IEEE Trans.Magn.，38，p2277(2002)<专利文献1>日本专利申请特开2003-60263号公报发明内容对于基于非专利文献4或非专利文献5公开的方法在自旋阀中心部分插入的电阻调节层，要求以下的特性。第一是绝缘部的质量。由于在CPP型磁致电阻效应元件中电流垂直于膜面流动，电阻调节层必须具有高的耐电压特性。第二是导电部(金属路线)的质量。如果金属路线中存在杂质等，具有自旋的电子发生散乱，则导致MR变差。为此，应尽可能地提高金属路线的纯度。决定该绝缘体和金属路线的质量的是自旋阀中的位于电阻调节层下的部分的晶粒粒径和晶体取向性。因此，控制位于电阻调节层下侧的自旋阀的晶粒粒径和晶体取向性是重要的。
由于以上原因，在包含绝缘体的自旋阀中，为了同时满足稳定的高MR和自由层的磁特性，控制晶体取向性和晶粒粒径是很重要的。
本发明的目的在于，通过组合合适的材料，控制晶体取向性和晶粒粒径，提供可实现高的磁致电阻变化量的磁致电阻效应元件、以及使用它的磁头、磁再生装置和磁存储器。
根据本发明的一实施方式的磁致电阻效应元件，其特征在于包括磁致电阻效应膜，该磁致电阻效应膜具有磁化方向实质上固定在一个方向上的磁化固定层、在上述磁化固定层上形成的非磁性金属中间层、在上述非磁性金属中间层上形成的具有磁化方向随外部磁场变化的磁性体膜的磁化自由层，且上述磁化固定层或非磁性中间层包含调节电阻的绝缘部；以及用来在与上述磁致电阻效应膜的膜面大致垂直的方向上通检测电流的电气连接的一对电极，且上述磁化自由层包含晶体结构是体心立方晶格的体心立方晶格层，上述体心立方晶格层的厚度≥2nm。
根据本发明的另一实施方式的磁致电阻效应元件，其特征在于包括磁致电阻效应膜，该磁致电阻效应膜具有基底层、在上述基底层上形成的反铁磁性层、在上述反铁磁性层上形成的磁化方向实质上固定在一个方向上的磁化固定层、在上述磁化固定层上形成的非磁性金属中间层、在上述非磁性金属中间层上形成的具有磁化方向随外部磁场变化的磁性体膜的磁化自由层，且上述磁化固定层、非磁性中间层和磁化自由层中的至少一个中包含调节电阻的绝缘部；以及用来在与上述磁致电阻效应膜的膜面大致垂直的方向上通检测电流的电气连接的一对电极，且上述基底层包含从Ta、(Ni100-xFex)100-yCry合金(15≤x≤25，20≤y≤30)、(Ni100-xFex)100-yCry合金(15≤x≤25，30≤y≤45)、Cu、Ru和Co100-xFex(5＜x＜15)中选出的层中的三种。
而且，优选地，体心立方晶格的层厚的上限为3nm。
根据本发明的另一实施方式中的磁头，其特征在于具有上述的磁致电阻效应元件。
根据本发明的另一实施方式中的磁再生装置，其特征在于具有上述的磁头，可以读取在磁记录媒体上磁记录的信息。
根据本发明的另一实施方式中的磁存储器，其特征在于具有上述的磁致电阻效应元件。
利用根据本发明的磁致电阻效应元件，可以实现高的磁致电阻变化量。结果，可以提供稳定地获得高灵敏度的磁检测、即使是高记录密度也具有高输出、高S/N的磁头、和搭载它的磁再生装置、和高集成的磁存储器等。
图1是参照用的磁致电阻效应元件的剖面图。
图2是根据本发明的实施例的磁致电阻效应元件的剖面图。
图3是参照用的磁致电阻效应元件的剖面图。
图4是展示FWHM和AΔR的关系的图。
图5是展示粒径和AΔR的关系的图。
图6是展示电阻增大层的AlOx的厚度和RA的关系、以及电阻增大层的AlOx的厚度和MR的关系的图。
图7是展示晶粒粒径和RA的关系、以及FWHM和RA的关系的图。
图8是展示晶粒粒径实施例和MR的关系、以及FWHM和MR的关系的图。
图9是展示RA和MR的关系的图。
图10是根据本发明的另一实施例的磁致电阻效应元件的剖面图。
图11是例示根据本发明的磁记录再生装置的示意结构的主要部分的斜视图。
图12是根据本发明的磁头组件的斜视图。
图13是例示根据本发明的磁存储器的矩阵结构的示意图。
具体实施例方式
下面，参照实施例更详细地说明本发明。
(实施例1)在说明根据本发明的磁致电阻效应元件之前，首先说明参照用的磁致电阻效应元件。图1是参照用的磁致电阻效应元件的剖面图。
图1的磁致电阻效应元件(自旋阀)具有由下电极(LE)1、基底层(BF)2、反铁磁性层(AF)3、钉扎层4[第一钉扎层(第一磁化固定层，P1)41、磁化反平行结合层(AC)42、和第二钉扎层[第二磁化固定层，P2)43]、间隔层(S)5、自由层(磁化自由层，F)6、自旋过滤层(SF)7、保护层(PL)8、上电极(UE)9层叠而成的结构。
第一钉扎层41的磁化被邻接的反铁磁性层3固定在实质上一个方向上，第二钉扎层43经由磁化反平行结合层42被磁化固定在与第一钉扎层41相反的方向上。自由层6包含其磁化随外部磁场变化的铁磁性层。间隔层5是隔断第二钉扎层43和自由层5之间的磁结合的层。在图1的磁致电阻效应元件中间隔层5只由金属构成。
用以下材料制作了具有图1的结构的磁致电阻效应元件。
基底层2Ta、5nm/Ru、2nm反铁磁性层3PtMn、15nm
第一钉扎层41Co90Fe10、3nm～4nm磁化反平行结合层42Ru、1nm第二钉扎层43参见表1间隔层5Cu、3nm自由层6参见表1自旋过滤层7Cu、1nm保护层8Ru、5nm第一钉扎层41的膜厚随第二钉扎层43的饱和磁化变化。第二钉扎层43和自由层5的材料和膜厚如表1所示地变化。在表中还记载了这些磁致电阻效应元件的磁致电阻变化量及其自由层5的矫顽力Hc。另外，由于如图1所示无电阻调节层的自旋阀的整体电阻低，考虑到便于理解，表1中用每单位面积的磁致电阻变化量(AΔR)表示输出。
从表1的结果可以得出如下结论。
(1)、如果比较试样1、2、3，则可知Ni80Fe20自由层的AΔR比Co90Fe10自由层小。而且，从试样2和3可以看出，如果在自由层的和间隔层的界面上设置Co90Fe10，则可以弥补自旋依赖界面散乱的减少，但由自旋依赖体散乱导致的损失大，所以比试样1的AΔR小。在Ni80Fe20自由层中矫顽力小。
(2)、如果比较试样1、2、4，则可知通过改变第二钉扎层和自由层的材料可以提高MR。具体而言，Fe50Co50的AΔR最大，Co90Fe10的AΔR比较大，而Ni80Fe20的AΔR小。但是，AΔR越大则矫顽力越大。具体而言，晶体结构是体心立方晶格的Fe50Co50、Fe80Co20、Fe的矫顽力大到20Oe以上，使用这些材料的具有图1所示结构的磁致电阻效应元件，作为磁致电阻效应磁头不能实用化。
(3)、如果比较试样4～12，则可知，通过把在(2)中说明的体心立方晶格的材料和矫顽力小的Ni80Fe20相组合可以减小矫顽力。而且，在自由层中通过减小体心立方晶格的Fe50Co50、Fe80Co20、Fe的膜厚可以减小Hc，但AΔR也随之减小。其主要原因是简单地把自旋依赖体散乱大的Fe50Co50、Fe80Co20、Fe变更成自旋依赖体散乱小的Ni80Fe20，但由于体心立方晶格薄膜化导致不稳定，Fe50Co50、Fe80Co20、Fe自身的自旋依赖界面散乱和自旋依赖体散乱减小也是一个原因。
另外，即使是上述以外的组成的结合也有同样的倾向。例如，作为自由层，采用与间隔层相接的(Fe100-xCox)100-yNiy层(0≤x≤85，0＜y＜50)和远离间隔层配置的Ni100-xFex层(15≤x≤25)的层叠膜时，确认了与上述同样的倾向。
另外，在自由层中使用的铁磁性层中，以大于0％且小于10％的范围添加添加元素(从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素，以下用M1表示)时，也可以增大AΔR，但AΔR和Hc的关系也有同样的倾向。
而且，在自由层中使用的铁磁性层中插入1原子层以上1nm以下的M1金属层(从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素)时，也可以增大AΔR，但AΔR和Hc的关系也有同样的倾向。
下面，说明根据本发明的磁致电阻效应元件，图2是展示根据本发明的的磁致电阻效应元件的一例的剖面图。
图2的磁致电阻效应元件(自旋阀)具有由下电极(LE)1、基底层(BF)2、反铁磁性层(AF)3、钉扎层4[第一钉扎层(第一磁化固定层，P1)41、41磁化反平行结合层(AC)42、和第二钉扎层[第二磁化固定层，P2)43]、间隔层(S)5[第一金属层51、电阻增大层52、和第二金属层53]、自由层(磁化自由层，F)6、自旋过滤层(SF)7、保护层(PL)8、上电极(UE)9层叠而成的结构。通过下电极1和上电极9在与磁致电阻效应膜的膜厚方向大致垂直的方向上通检测电流，实现CPP型磁致电阻效应元件。
第一钉扎层41的磁化被邻接的反铁磁性层3固定在实质上一个方向上，第二钉扎层43经由磁化反平行结合层42被磁化固定在与第一钉扎实层41相反的方向上。自由层6包含其磁化随外部磁场变化的铁磁性层。间隔层5是隔断第二钉扎层43和自由层5之间的磁结合的层。图2所示的根据本发明的磁致电阻效应元件中，间隔层5具有由第一金属层51、电阻增大层52、第二金属层53相层叠的结构。电阻增大层52包含绝缘体和金属路线。
用以下材料制作了具有图2的结构的磁致电阻效应元件。
基底层2Ta、5nm/Ru、2nm反铁磁性层3PtMn、15nm第一钉扎层41Co90Fe10、3nm～4nm磁化反平行结合层42Ru、1nm第二钉扎层43参见表2第一金属层51Cu、0.2nm电阻增大层52包含Cu金属路线的AlOx、1.5nm第二金属层53Cu、0.5nm自由层6参见表2自旋过滤层7Cu、1nm
保护层8Ru、5nm第一钉扎层41的膜厚随第二钉扎层43的饱和磁化变化。第二钉扎层43和自由层5的材料和膜厚如表1所示地变化。在表中还记载了这些磁致电阻效应元件的磁致电阻变化量MR[％](＝AΔR/AR)及其自由层5的矫顽力Hc。
从表2的结果可以得出以下结论。
(1)、如果比较试样13、14、15，则Co90Fe10自由层的Hc大。如果用矫顽力Hc小的材料Ni80Fe20作自由层，则Hc减小，但由于自旋依赖界面散乱小，MR也减小。为了增大自旋依赖界面散乱，采用与间隔层相接的CO90Fe10层和远离间隔层配置的Ni80Fe20层的层叠自由层时，得到了与全部自由层都是Co90Fe10时相同的MR，Hc也可减小。这种现象与在没有电阻调节层的表1的试样1、2、3中即使用Co90Fe10/Ni80Fe20的层叠自由层也达不到全部自由层都是Co90Fe10时的AΔR的情况不同。考虑这种现象的原因在于，在具有有电流变窄效应的电阻调节层的表2的试样中，MR其本上是由电阻调节层附近的材料决定的。
(2)、试样16～24是为了确认同时实现(1)中得到的低Hc和高MR的看法，采用表现出比Co90Fe10更高的MR的Fe50Co50、Fe80Co20、Fe的例子。Fe50Co50、Fe80Co20、Fe的晶体结构是体心立方晶格，Hc大，但与间隔层是Cu 3nm的表1的试样4～12相比，Hc减小了。尤其是，如果是与矫顽力小的Ni80Fe20相组合的层叠结构，可以把Hc降低到可实用的水平。由于具有富含Fe的组成的铁磁性层本质上Hc小，即使采用与Ni80Fe20层叠的结构也得到低Hc。这是因为通过在间隔层中设置电阻调节层改变了自由层的晶体结构。具体而言，用断面TEM(透射电子显微术)发现，未设置电阻调节层的图1的元件中自由层的晶粒为15nm左右，而设置了电阻调节层的图2的元件中自由层的晶粒变细，分割成7nm以下。这时，考虑即使是一般Hc大的体心立方晶格的合金也可以减小Hc。而且，通过减小晶粒粒径，在自由层中可以使用更厚的具有高MR的体心立方晶格的材料。
(3)如果比较试样16～24，可看出，虽然在自由层中如果减小体心立方晶格的Fe50Co50、Fe80Co20、Fe的膜厚则MR减小，但与表1相比，其减小程度得以缓和。如(1)所述，只需在Co90Fe10、1nm/Ni80Fe20、3.5nm(试样15)中插入1nm的Co90Fe10，就表现出了与全部是Co90Fe10时相同的MR。与此不同，在Fe50Co50、Fe80Co10、Fe中即使插入2nm左磁化自由层的膜时(试样17、20、23)，MR也减小。考虑这是因为在薄的膜中体心立方晶格不稳定。因此，为了得到高的MR，必须使用尽可能厚的体心立方晶格。而且，该体心立方晶格的层厚的上限是3nm。
以上说明了在间隔层中形成了电阻增大层的实施例，但在钉扎层中形成电阻增大层时也可获得上述的效果。
另外，即使是上述以外的组成的结合也有同样的倾向。例如，作为自由层，采用与间隔层相接的(Fe100-xCox)100-yNiy层(0≤x≤85，0＜y＜50)和远离间隔层配置的Ni100-xFex层(15≤x≤25)的层叠膜时，确认了与上述同样的倾向。实用上，有时为了减小磁致伸缩，略微调整了组成的含金更有效。
另外，在自由层中使用的铁磁性层中以大于0％且小于10％的范围添加添加元素(从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素，以下用M1表示)时，也可以增大AΔR，但AΔR和Hc的关系也有同样的倾向。
而且，在自由层中使用的铁磁性层中插入1原子层以上1nm以下的M1金属层(从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素)时，也可以增大AΔR，但AΔR和Hc的关系也有同样的倾向。
在磁化固定层中也是，如果把表现出高MR的(Fe100-xCox)100-yNiy(0≤x≤85，0≤y≤50)；在(Fe100-xCox)100-yNiy中以大于0％小于10％的范围添加M1添加元素(从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素)得到的合金；在这些层中插入1原子层以上10nm以下的M1金属层(从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素)得到的层叠膜变化组合，得到了更高的MR。
另外，只要电阻调节层的材料包含Al、Cr、Mg、Hf、Zr、Si、Ta、Ti、V、Mo、W、Au、Ag、Cu、Pt、Nb、Re、Pd、B、C中的至少两种元素；和把这些元素的一部分氧化而得到的绝缘部，就可得到同样的效果。
从以上的结果可以看出，为了同时实现高MR和低Hc，在自由层的与间隔层相接的位置上设置从下述(I)～(III)中选择的、晶粒粒径分割成7nm以下的铁磁性层是有效的。
(I)体心立方晶格的(Fe100-xCox)100-yNiy层(0≤x≤85，0≤y≤50)；(II)添加了M1添加元素的体心立方晶格的{(Fe100-xCox)100-yNiy}100-zM1z层(0≤x≤85，0＜y＜50，0＜z＜10，M1是从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素)；(III)在(Fe100-xCox)100-yNiy层(0≤x≤85，0＜y＜50)中插入至少一层1原子层以上1nm以下的M1金属层(M1是从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素)得到的铁磁性结合的层。
另外，在上述(I)～(III)的铁磁性层上，层叠Ni1-xFex(15≤x≤25)，(Ni100-xFex)100-zM2z(15≤x≤25，0＜z＜10，M2是从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素)，或包含至少一层1原子层以上1nm以下的M2金属层(M2是从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素)的Ni100-xFex(15≤x≤25)等时，Hc更加减小，但体心立方晶格变得不稳定，MR有减小的倾向。为了防止这一点，最好采用本质上Hc小的具有富含Fe的组成的铁磁性层，另外，通过在体心立方晶格的(Fe100-xCox)100-yNiy层(0≤x≤85，0≤y≤50)中添加或层叠Cu、Au、Ag、Pt、Re、B，Hc减小了约50％～70％左右，因此，这样的材料对于得到高MR和低Hc是很合适的。
(实施例2)图3是由不具有绝缘层的只由金属层构成的参照用的磁致电阻效应元件的剖面图。
图3的磁致电阻效应元件(自旋阀)具有由下电极(LE)1、基底层(BF)、反铁磁性层(AF)3、钉扎层(P)4、间隔层(S)5、自由层(磁化自由层、F)6、自旋过滤层(SF)7、保护层(PL)8、上电极(UE)9相层叠而成的结构。
用以下材料制作了具有图3的结构的磁致电阻效应元件。
基底层2参照下述反铁磁性层3PtMn、15nm钉扎层4Fe50Co50、5nm间隔层5Cu、5nm自由层6Fe50Co50、5nm自旋过滤层7Cu、1nm保护层Ta、20nm。
作为基底层使用了以下四种材料。
Ta、5nm/Ru、6nmTa、5nm/Ni80Fe20、2nm
Ta、5nm/(Ni80Fe20)60Cr40、5nm(Ni80Fe20)60Cr40、6.5nm把使用了这些基底层的磁致电阻效应元件依次叫作1-A、1-B、1-C、1-D。
使用了上述的基底层的磁致电阻效应元件的晶体取向性按1-B，1-A、1-C、1-D的顺序依次更好。在热氧化Si基板上形成这些膜，研究了自旋阀部分的X射线衍射的起状曲线的半高宽FWHM(峰值的一半处的宽度)和元件的每单位面积的电阻变化量(AΔR)的关系，结果示于图4。FWHM越小意味着晶体取向性越高。另外，在图3所示的仅由金属构成的磁致电阻效应元件的场合，整个磁致电阻效应元件的电阻比电极电阻小，可以比MR精度更高地比较AΔR，所以在图中画出了AΔR。从图4看，可以说晶体取向性和AΔR不相关。
另外，图3的磁致电阻效应元件中，晶粒粒径也很大地依赖于基底层。用断面TEM观察后发现从基底层到保护层的晶体生长成柱状。对晶粒粒径也进行了测量，1-A、1-B中晶粒粒径为约10～15nm，1-C、1-D中晶粒粒径为约30～40nm，图5中展示了晶粒粒径和元件的AΔR的关系。从图5看，可以说晶粒粒径和AΔR不相关。
接着，用以下的材料制作了图2所示的根据本发明的磁致电阻效应元件。
基底层2参照下述反铁磁性层3PtMn、15nm第一钉扎层41Co90Fe10、4nm磁化反平行结合层42Ru、1nm第二钉扎层43Fe50Co50、5nm第一金属层51Cu、0.2nm电阻增大层52含Cu金属路线的AlOx、1.0nm、1.5m或2.0nm第二金属层53Cu、0.5nm自由层6Fe50Co50、1nm/Ni80Fe20、3.5nm自旋过滤层7Cu、1nm
保护层Ta、20nm。
作为基底层使用了以下六种材料。
Ta、5nm/Ru、6nmTa、5nm/Ni80Fe20、2nmTa、5nm/(Ni80Fe20)60Cr40、5nm(Ni80Fe20)60Cr40、6.5nmTa、3nm/(Ni80Fe20)60Cr40、5nm/(Ni80Fe20)78Cr22、1nmTa、5nm/Ru、1nm/Cu、2nm图6(a)展示了电阻增大层的AlOx的厚度和RA的关系，图6(b)展示了电阻增大层的AlOx的厚度和MR的关系。
如这些图所示，随着基底层的材料不同，RA和MR与AlOx的厚度的依赖关系也不同。考虑是随着基底层的材料不同，磁致电阻效应元件的晶体取向性和晶粒粒径发生了变化。
于是，研究了RA和MR与AlOx膜厚的依赖关系随晶体取向性和晶粒粒径中的任何一个参数的变化情况。作为晶体取向性的指标，测定了磁致电阻效应元件的X射线衍射中的起状曲线的半高宽(FWHM)。还从断面TEM测量了晶粒粒径。图7(a)展示了晶粒粒径和RA的关系。图7(b)展示了FWHM和RA的关系。图8(a)展示了晶粒粒径和MR的关系。图8(b)展示了FWHM和MR的关系。
另外，如果如图2所示插入包含绝缘体的电阻调节层，则晶体生长被分割，位于电阻调节层52下侧的部分(从反铁磁性层到第二钉扎层)和位于电阻调节层52上侧的部分(在自由层的上侧的部分)的结晶性改变。由于与电阻调节层52的形成有关的是位于电阻调节层52下侧的部分的结晶性，只须观测位于电阻调节层52的下侧的部分的结晶性。但是，用X射线衍射的起状曲线判断取向性时，反映了自旋阀含体膜的取向性，不能区分电阻调节层52的上下的取向性。另外，如果没有电阻调节层52，则与间隔层的上侧与下侧相连着生长晶体。
于是，作为图7(b)和8(b)的横轴，示出了作为间隔层使用未插入电阻调节层的Cu、3nm的模型试样的FWHM。
如果比较这些图，则RA受晶粒粒径支配，而MR受晶粒粒径和晶体取向性这两者支配。具体而言，晶粒粒径大时RA有增大的倾向。而MR则表现出较复杂的行为。粒径为10～15nm左右的试样的MR最低，可实现高MR的粒径是5nm左右的小粒径和30nm左右的大粒径这两极化。如果以大粒径相互间进行比较，则晶体取向性越高MR越大。
RA和MR随着晶粒粒径这样地变化的和机制，可解释如下。晶粒粒径减小时MR增加，考虑是因为金属路线容易形成，金属路线的纯度提高。相反，晶粒粒径增大时，金属路线稀疏地形成，RA提高，但由于电流变窄效应更加显著，从而MR提高。
另外，MR随晶体取向性的变化可考虑如下，第一，晶体取向性好时，在自旋阀中金属路线的质量提高。第二，在金属路线52附近的第一金属层51、第二金属层53和钉扎层、自由层的界面形成得彻底，抑制了不依赖于自旋的电子的散乱。
在磁致电阻效应磁头上适用这些元件时，RA太高，S/N劣化，不能实用。于是，最好使RA尽可能地低以实现高MR。为此，在相同的RA下比较MR可更容易地知其优劣。
图9展示了RA和MR的关系，例如，在面记录密度200Gbpsi中求得的RA是500mΩμm2左右。在这种大小的RA下，表现出最高MR的是晶粒粒径大且晶体取向性高的Ta、3nm/(Ni80Fe20)60Cr40、5nm/(Ni80Fe20)78Cr22、1nm，和晶粒粒径小的Ta、5nm/Ru、1nm/Cu、2nm。
在不具有绝缘层的图3的磁致电阻效应元件中看不到以上的RA和MR的与基底层的依赖关系。因此，在图2那样的具有电阻增大层的自旋阀中，控制电阻增大层的金属路线的分布和纯度、电阻增大层附近的非磁性金属层和钉扎层/自由层的界面时，选择合适的基底层是重要的。
适合提高MR的基底层，晶粒粒径可以是3nm～7nm，优选为5nm左右或≥25nm，优选为≥30nm，且具有提高晶体取向性的效果的基底层。
从这个观点出发，作为基底层优选为，最下层是Ta，第二层是(Ni100-xFex)100-yCry合金(15≤x≤25，30＜y≤45)或Ru，第三层是(Ni100-xFex)100-yCry合金(15≤x≤25，20≤y≤30)、Cu或Co100-xFex(5＜x＜15)的基底层。
在上述中，虽然第二钉扎层53和自由层6的材料分别固定成Fe50Co50、3nm，Fe50Co50、1nm/Ni80Fe20、3.5nm，但在使用实施例1所示的实现高MR和低Hc的材料时，变更基底层也获得了同样的效果。
只要电阻调节层的材料包含从Al、Cr、Mg、Hf、Zr、Si、Ta、Ti、V、Mo、W、Au、Ag、Cu、Pt、Nb、Re、Pd、B、C中的至少两种元素；和把这些元素的一部分氧化而得到的绝缘体，就可得到同样的效果。
另外，在图10所示的各具有两个间隔层、第二钉扎层、反铁磁性层的双型的CPP型磁致电阻效应元件中也获得了实施例1、2中所示的效果。
另外，包含绝缘体的电阻调节层不限于间隔层，即使在自旋阀的其它层中插入也可以，通过选用合适的基底层并控制晶粒粒径和晶体取向性可以增加MR。
(实施例3)下面，说明搭载有根据本发明的磁致电阻效应元件的磁再生装置。参照图2和图10说明过的根据本发明的磁致电阻效应元件或磁头，可以通过例如组装到记录再生一体型的磁头组件上而搭载在磁记录再生装置中。
图11是例示这样的磁记录再生装置的概略结构的主要部分的斜视图。根据本发明的磁记录再生装置150是采用旋转致动器的形式的装置。在该图中，记录用媒体盘200装在主轴152上，根据来自图中未示出的驱动装置控制部的控制信号用图中未示出的马达沿箭头A方向旋转。根据本发明的磁记录再生装置150也可以是具有多个媒体盘200的磁记录再生装置。
进行在媒体盘200上存储的信息的记录再生的磁头滑块153，固定在薄膜状的悬架154的前端。在此，磁头滑块153在其前端附近搭载根据上述的任一实施方式的磁致电阻效应元件或磁头。
媒体盘200旋转时，磁头滑块153的与媒体相对的面(ABS，空气支承面)保持为离媒体盘200的表面具有规定的上浮量。或者，也可以是磁头滑块与媒体盘200接触的所谓“接触扫描型”。
悬架154与具有图中未示出的保持驱动线圈的线轴部等的致动器臂155的一端连接。在致动器臂155的另一端上设有作为线性马达的一种的音圈马达156。音圈马达156由在致动器臂155的线轴部上卷绕的未图示的驱动线圈，和由夹着该线圈相对置地配置的永磁体、对置磁轭构成的磁回路构成。
图12是从盘侧观察从致动器臂155之前的磁头组件时看到的放大斜视图。即，磁头组件160具有致动器臂155，该致动器臂155具有例如保持驱动线圈的线轴部等，致动器臂155的一端与悬架154连接。
在悬架154的前端固定有具有如图2或图10所示的磁致电阻效应元件或磁头的磁头滑块153。悬架154具有写入或读出信号用的引线164，该引线164和在磁头滑块153中组装的磁头的各电极电气直接。图中165是磁头组件160的电极焊盘。
根据本发明，通过具有图2或图10所示的根据本发明的磁致电阻效应元件或磁头，可以可靠地读出以比现有更高的记录密度在媒体盘200上磁记录的信息。
(实施例4)下面，说明搭载了根据本发明的磁致电阻效应元件的磁存储器。用参照图2和图10说明过的根据本发明的磁致电阻效应元件，可以实现矩阵状配置了存储单元的随机存取存储器等的磁存储器。
图13是例示本实施例的磁存储器的矩阵结构的示意图。在该图中展示了矩阵状配置了存储单元时的实施方式的电路结构。为了选择阵列中的1位，具有列解码器350、行解码器351，通过位线354和字线332使开关晶体管330接通可以任意选择，通过用检测放大器352检测可以读出在构成磁致电阻效应元件321的磁记录层上记录的位信息。在写入位信息时，通过在特定的写入字线323和位线322中流过写入电流产生的磁场来进行。
根据本发明的磁存储器，通过使用图2或图10所示的磁致电阻效应元件，获得了大的负磁致电阻效应，所以，即使单元尺寸微细化，也可以可靠地控制记录层的磁区，确保可靠的写入，且还可进行可靠的读出。
以上，参照具体例说明了本发明的实施方式。但是，本发明并不仅限于这些具体例。例如，对于磁致电阻效应膜的具体结构、形状、材料、本领域技术人员通过在公知范围内适当选择也可同样地实施本发明，获得同样的效果。
例如，在再生用磁头上使用磁致电阻效应元件时，通过在元件的上下赋予磁屏蔽层，可以规定磁头的检测分辨率。
另外，本发明在纵向磁记录方向或垂直磁记录方式的磁头或磁再生装置中都可同样地使用且获得同样的效果。
而且，本发明的磁再生装置，也可以一直具有特有的记录媒体的所谓固定式的磁再生装置，也可以是可更换记录媒体的“可去除(removable)方式的磁再生装置。
此外，作为本发明的实施方式，基于上述的内容，本领域技术人员适当变更设计而实施的所有磁致电阻效应元件、磁头，磁再生装置和磁存储器同样地也属于本发明的范围。
权利要求
1.一种磁致电阻效应元件，其特征在于包括磁致电阻效应膜，该磁致电阻效应膜具有磁化方向实质上固定在一个方向上的磁化固定层、在上述磁化固定层上形成的非磁性金属中间层、在上述非磁性金属中间层上形成的具有磁化方向随外部磁场变化的磁性体膜的磁化自由层，且上述磁化固定层或非磁性中间层包含调节电阻的绝缘部；以及用来在与上述磁致电阻效应膜的膜面大致垂直的方向上通检测电流的电气连接的一对电极，且上述磁化自由层包含晶体结构是体心立方晶格的体心立方晶格层，上述体心立方晶格层的厚度≥2nm。
2.根据权利要求1所述的磁致电阻效应元件，其特征在于上述磁化自由层是(Fe100-xCox)100-yNiy层(0≤x≤85，0≤y≤50)、或者(Fe100-xCox)100-yNiy层(0≤x≤85，0≤y≤50)和Ni100-xFex层(15≤x≤25)的层叠膜，上述(Fe100-xCox)100-yNiy层(0≤x≤85，0≤y≤50)与上述非磁性中间层相接触。
3.根据权利要求1所述的磁致电阻效应元件，其特征在于上述磁化自由层是{(Fe100-xCox)100-yNiy}100-zM1z层(0≤x≤85，0≤y≤50，0＜z＜10，M1是从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选出的至少一种元素)，或者{(Fe100-xCox)100-yNiy}100-zM1z层(0≤x≤85，0≤y≤50，0＜z＜10，M1是从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选出的至少一种元素)和(Ni100-xFex)100-zM2z层(15≤x≤25，0＜z＜10，M2是从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选出的至少一种元素)的层叠膜，上述{(Fe100-xCox)100-yNiy}100-zM1z层(0≤x≤85，0≤y≤50，0＜z＜10，M1是从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选出的至少一种元素)与上述非磁性中间层相接触。
4.根据权利要求1所述的磁致电阻效应元件，其特征在于上述磁化自由层是插入了至少一层M1金属层(M1是从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素)的铁磁性结合的(Fe100-xCox)100-yNiy层(0≤x≤85，0≤y≤50)，或者在(Fe100-xCox)100-yNiy层(0≤x≤85，0≤y≤50)和Ni100-xFex层(15≤x≤25)的层叠膜中插入了至少一层M1金属层(M1是从Cu、Au、Ag、Pt、Re、B中选择的至少一种元素)的铁磁性结合的层叠膜，上述(Fe100-xCox)100-yNiy层(0≤x≤85，0≤y≤50)与上述非磁性中间层相接触。
5.一种磁致电阻效应元件，其特征在于包括磁致电阻效应膜，该磁致电阻效应膜具有基底层、在上述基底层上形成的反铁磁性层、在上述反铁磁性层上形成的磁化方向实质上固定在一个方向上的磁化固定层、在上述磁化固定层上形成的非磁性金属中间层、在上述非磁性金属中间层上形成的具有磁化方向随外部磁场变化的磁性体膜的磁化自由层，且上述磁化固定层、非磁性中间层和磁化自由层中的至少一个中包含调节电阻的绝缘部；以及用来在与上述磁致电阻效应膜的膜面大致垂直的方向上通检测电流的电气连接的一对电极，且上述基底层包含从Ta、(Ni100-xFex)100-yCry合金(15≤x≤25，20≤y≤30)、(Ni100-xFex)100-yCry合金(15≤x≤25，30＜y≤45)、Cu、Ru和Co100-xFex(5＜x＜15)中选出的层中的三种。
6.根据权利要求5所述的磁致电阻效应元件，其特征在于上述基底层，最下层是Ta，第二层是(Ni100-xFex)100-yCry合金(15≤x≤25，30＜y≤45)或Ru，第三层是(Ni100-xFex)100-yCry合金(15≤x≤25，20≤y≤30)、Cu或Co100-xFex(5＜x＜15)。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的磁致电阻效应元件，其特征在于上述非磁性中间层包含Al、Cr、Mg、Hf、Zr、Si、Ta、Ti、V、Mo、W、Au、Ag、Cu、Pt、Nb、Re、Pd、B、C中的至少两种元素；和把这些元素的一部分氧化而得到的绝缘部，且具有电阻调节功能。
8.一种磁头，其特征在于具有根据权利要求1～6中任一项所述的磁致电阻效应元件。
9.一种磁再生装置，其特征在于具有根据权利要求8所述的磁头，可以读取在磁记录媒体上磁记录的信息。
10.一种磁存储器，其特征在于具有根据权利要求1～6中任一项所述的磁致电阻效应元件。
全文摘要
提供一种磁致电阻效应元件、磁头、磁再生装置和磁存储器。该磁致电阻效应元件可控制晶体取向性和晶粒粒径，可实现高的磁致电阻变化量。该一种磁致电阻效应元件，其特征在于包括磁致电阻效应膜，该磁致电阻效应膜具有磁化方向实质上固定在一个方向上的磁化固定层、在上述磁化固定层上形成的非磁性金属中间层、在上述非磁性金属中间层上形成的具有磁化方向随外部磁场变化的磁性体膜的磁化自由层，且上述磁化固定层或非磁性中间层包含调节电阻的绝缘部；以及用来在与上述磁致电阻效应膜的膜面大致垂直的方向上通检测电流的电气连接的一对电极，且上述磁化自由层包含晶体结构是体心立方晶格的体心立方晶格层，上述体心立方晶格层的厚度≥2nm。
文档编号H01L27/105GK1637859SQ200410094160
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月24日 优先权日2003年12月25日
发明者汤浅裕美, 福泽英明, 桥本进, 岩崎仁志 申请人:株式会社东芝