专利名称：磁阻效应元件与利用此磁阻效应元件的磁阻效应型磁头及磁存储与还原装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁阻效应元件，和利用此元件的磁阻效应型磁头及磁存储与还原装置，例如硬盘装置。
背景技术：
近年来，在硬盘驱动装置中的磁存储的高密化进展十分显著，与此相对应，还原磁头也有了显著的进展。特别是采取了利用巨大磁阻效应(GMR)的翻转阀型磁阻效应元件，使磁阻效应型磁头(MR磁头)的灵敏度大大提高。
在翻转阀型的MR元件中，非磁性层夹在两个强磁性层之中，一个强磁性层(固定层)的磁化方向被磁化翻转抑制层的交变偏置磁场固定(称此强磁性层与磁化翻转抑制层为交变耦合膜)。另一强磁性层(自由层)的磁化方向随外部磁场变化，从而使固定层与自由层的磁化方向的相对角度变化。此相对角度的变化作为电阻的变化被检测出。
人们所知，在翻转阀型的MR元件中，例如，有的磁性层用了Ni-Fe膜，非磁性层用了Cu膜，磁化翻转抑制层用了Fe-Mn膜。使用这些材料时的磁阻变化率(MR比)约为2％(Journal of Magnetism andMagnetic Materials 93，p101，1991)。因为以Fe-Mn作为磁化翻转抑制层时，MR比值小，且Fe-Mn自身的耐腐蚀性差，所以硬盘的还原磁头用PtMn、NiMn系列的材料。还有，以NiO和α-Fe2O3等氧化物作为磁化翻转抑制层的元件，可以得到15％以上的MR比。
若想使磁记录进一步高密化，估计现在的GMR元件的输出不够，已到极限。因此，人们极力研究了比GMR元件的电阻变化大，电阻本身也大大提高了的TMR(隧道磁阻)元件。此元件以Al2O3等绝缘膜作为非磁性层，以垂直于膜面的隧道电流为读出信号。
可是，随着磁记录的高密化的进展，元件面积大大受到限制时，TMR元件存在电阻过高的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提议用所谓的CPP-GMR(电流垂直于膜面的)元件，使磁记录密度提高，达到超高密化。常规的GMR元件的电流流在膜面内，而CPP-GMR元件的电流与膜面垂直。
本发明的MR元件(磁阻效应元件)，其特征为具有第一磁性层(自由层)；非磁性层；第二磁性层(固定层)，隔着上述非磁性层，层叠在上述第一磁性层上；磁化翻转抑制层，用于抑制上述第二磁性层的磁化翻转；上述第一磁性层比上述第二磁性层更容易随外部磁场产生磁化翻转，用于读出信号的电流沿与膜面垂直的方向流动；其特征在于上述非磁性层具有以电阻率在4μΩ.cm以上200μΩ.cm以下的金属为主要成分的薄膜。
本发明的MR元件，即使在元件面积受到限制时，元件的电阻也不会过高。所以，即使在很窄的磁缝中也能获得大的输出。
在本说明书中，“主要成分”指占80atom％以上的成分。最好是电阻率在上述范围内的金属占非磁性层的95atom％以上。
本发明提供具有上述MR元件与磁屏蔽罩的MR磁头。设置此磁屏蔽罩是为了屏蔽从磁存储媒体外流向MR元件的外部磁场。本发明还提供磁存储与还原装置，该装置具有上述MR磁头和用MR磁头进行信息存储或还原的磁存储媒体。
图1是本发明的磁阻效应元件的一实施方案剖面图；图2是本发明的磁阻效应元件的另一实施方案剖面图；图3显示磁性层之间的交变相互作用随非磁性层的膜厚增加而变化的一例子；图4是本发明的磁阻效应型磁头的一实施方案的斜视图；图5是使用常规的MR元件的磁阻效应型磁头的斜视图；图6是本发明的磁信息存储与还原装置的一实施方案的平面图；图7是本发明的磁信息存储与还原装置的一实施方案的剖面图；图8是用实施例1制作的元件的剖面图；图9是用实施例2制作的元件的剖面图；实施方案如图1所示，在本发明的一实施方案中，MR元件具有层叠的多层膜，依次为下部电极5、磁化翻转抑制层4、固定层3、非磁性层2、自由层1、上部电极6。在此元件中，固定层3的磁化被磁化翻转抑制层4产生的交变偏置磁场锁住。作为另一强磁性体的自由层1，由于非磁性层2的隔离作用，与固定层3的磁性分离。因此，自由层的磁化比固定层的磁化更容易随外部磁场翻转。
通常，在两个磁性层的磁化方向相反时，由于在磁性层/非性层界面的电子散乱，元件的电阻变高。而磁化方向一致时，由于在界面的散乱电子少，元件的电阻变低。所以，随外部磁场而变的固定层3与自由层1的磁化角度的相对变化，使元件的垂直于膜面方向的电阻产生变化。若在电极5、6之间加电流，则此电阻的变化可以作为电信号的变化而读出。这样，CPP-GMR元件在使用时，在垂直于膜面的方向有读出电流。
以往，作为CPP-GMR元件的非磁性层采用Cu、Ag等。可是以往用的Cu、Ag等金属材料的电阻率在2μΩ.cm以下，作为电流垂直于膜面的元件的非磁性层材料，该电阻率太小。用于电流垂直于膜面的元件的非磁性层材料，其电阻率最好是在4μΩ.cm以上。
另一方面，若想从元件中获得高的MR比，则应使非磁性层材料的电阻率低到一定程度。具体地说，电阻率应在200μΩ.cm以下，最好是在100μΩ.cm以下。用于磁性层材料的Co、Fe的电阻率分别为5.6、10.7μΩ.cm左右。电阻率为上述电阻率的两倍，即20μΩ.cm以下的材料特别适于用作非磁性层材料。
从以上数值可以明显看出，在本说明书中是按整块时的状态来说明用于非磁性层的金属的电阻率的。通常，其厚度达到可以用在磁阻效应元件上的薄型金属薄膜，具有由与该金属薄膜相同材料构成的金属块的2～3倍的电阻率，此电阻率由膜厚等条件决定。所以，为了明确适合于磁阻效应元件的材料，在此按整块时的状态说明电阻率。
非磁性层2的膜厚，应在能使隔着非磁性层的自由层1和固定层3之间的交变相互作用变弱的范围，尤其是近乎于零的范围最好。因此，非磁性层的膜厚应在1.2nm以上，尤其是2nm以上最好。另外，考虑电子的旋转扩散长度，为使MR比值不下降，非磁性层的厚度应在20nm以下，尤其是在10nm以下最好。
磁性层之间的交变相互作用，随着非磁性层厚度的增加，有时会在强磁性(磁化方向一致)与反强磁性(磁化方向相反)之间往返着逐渐衰减。典型例子是如图3所示，由交变相互作用产生的磁性层之间的磁耦合力(H coupling)，随着非磁性层膜厚(T)的增加，在强磁性耦合与反强磁性耦合之间往返着逐渐衰减。此时，非磁性层的膜厚即使例如在上述范围(1.2~20nm)内，磁性层之间的交变相互作用也会过于强。所以，非磁性层的膜厚不应该只设在上述范围，应该设在图3所示的起伏的耦合力曲线与横轴的交点或其附近上。
具体地说，设定的非磁性层的膜厚，应该使自由层与固定层之间的磁耦合力在反强磁性最强时的磁耦合力的绝对值的20％以下(|Hcouping|≤0.2X|-P|)，最好是在10％以下。若设反强磁性的耦合力的最大值的绝对值的20％为a，(0.2X|-P|＝a)，则如图3所示，磁耦合力的范围应在-a与a之间。另外，为方便起见，如图3所示，将磁耦合力的强磁性示为正、反强磁性示为负。
在实际的人造晶格膜中，不但要考虑间接的交变相互作用，还要考虑由粗糙度引起的强磁性耦合(orang peel coupling)。所以，间接的相互交变作用最好是零或在满足上述条件的范围内呈反强磁性。
非磁性层的面积最好是在0.01μm2以下。在此，以读出电流通过面的面积作为非磁性层的面积。若是TMR，膜面积限制到这种程度则电阻过高。非磁性层的面积若在0.008μm2以下则更好，尤其是在0.005μm2以下。面积的下限没有特殊限制，但一般非磁性层的面积以0.0001μm2以上为宜。
构成非磁性层的主要成分的金属可以是金属单体也可以是合金。非金属层可以含有Be、Bi、Cr、Hf、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Nb、Os、Pd、Pt、Re、Ru、Rh、Sb、Se、Ta、Th、Ti、Tl、V、W、Y及Zr中的至少一种。另外，也可以使用上述金属之间的合金或上述金属与其它金属的合金。
尤其Cr是最适合用于非磁性的金属材料。Cr的电阻率高，为12.8μΩ.cm，而且Fe/Cr的多层膜有很大的磁阻变化。所以，以Cr作为非磁性层的主要成分时，磁性层最好是含有Fe。使用以Cr作为主要成分的非磁性层时，最好是自由层与固定层两者之中至少有一者由一层或两层以上的磁性膜构成，至少，与非磁性层相接的磁性膜以Fe为主要成分。
图1所示的元件使用了两层结构的磁性层。使用多层磁性层的结构，可以在实现与非磁性层材料的理想组合的同时，还可以顾及到其他特性，如，磁性层的软磁性。
非磁性层2以Cr为主要成分时，在自由层1中，界面磁性层102可以用Fe膜，磁性层101可以用比Fe的磁性软的材料膜，如，Ni-Fe膜、Ni-Fe-Co膜。还有，在固定层3中，界面磁性层301也可以用Fe膜，为了强化磁化翻转抑制层的磁化翻转抑制效果，磁性层302也可以用Co、Co-Fe、Ni-Fe、Ni-Fe-Co膜等磁性膜。
理想的非磁性层金属材料的其它例子为Ir、Ru、及Rh。在Ir、Ru、及Rh中至少选择一种作为非磁性层的主要成分时，磁性层最好是含有Fe、Co、及Ni或这些金属的合金。使用在Ir、Ru、及Rh中至少选择一种作为主要成分的非磁性层时，最好是自由层与固定层两者之中至少有一者由一层或两层以上的磁性膜构成，至少，与非磁性层相接的磁性膜的主要成分为Fe、Co、及Ni中的至少一种。
固定层3可以用隔着非磁性层，反强磁性地耦合在一起的一对强磁性膜，即所谓的层叠过渡型固定层。这样可以增强固定层的磁化固定效果。还有，因为固定层的磁化一部分被抵消，从固定层向自由层的漏磁通减小，所以，可以调整漏磁场。此时，各强磁性层的膜厚以1～3nm为宜。夹在强磁性层之间的非强磁性层以Ru、Ir等为宜。此非强磁性层的膜厚以0.3～1.2nm为宜。
磁化翻转抑制层4可以用PtMn、NiMn、PdPtMn、CrMn、FeMn等。电极5、6的材料没有特殊限制，可以用常规的Cu等。
作为形成上述各薄膜的基板(在图1中没有示出)，可以用玻璃、MgO、Si、Al2O3-TiC基板等表面平滑的基板。制作MR磁头时，以Al2O3-TiC基板为宜。
在基板与上述各膜之间，根据用途适当地形成磁屏蔽罩等。另外，为了改善磁化翻转抑制层的特性等，可以在基板与磁化翻转抑制层之间加一层衬底层。衬底层可以用Ta、NiFe、NiFeCr合金或这些金属的层叠膜。衬底层的膜厚以1～10nm左右为宜。
在图1所示的多层膜中，也可以不从图中的下面开始层叠，而是上下颠倒，从图中的上面(从自由层1侧开始)开始依次层叠。各层的成膜方法没有特殊限制，但溅射法较适宜。溅射法可以用DC溅射法、RF溅射法、离子束溅射法等任意一种。
本发明也适用于固定层在自由层两侧的元件。此元件如图2所示，通过依次层叠下部电极5、磁化翻转抑制层4、固定层3、非磁性层2、自由层1、非磁性层2、固定层3、磁化翻转抑制层4、上部电极6而形成。此时，也可以在与非磁性层2相接的自由层1(固定层3)上设置界面磁性层102(301)。
图4显示了利用上述本发明的磁阻效应元件的MR磁头的例子。
MR元件100被上部磁屏蔽罩(共用磁屏蔽罩)13及下部磁屏蔽罩16夹在中间。设置这些磁屏蔽罩是为了使元件不受媒体以外的外部磁场的影响。磁屏蔽罩的材料以Ni-Fe、Fe-Al-Si、Co-Nb-Zr合金等软磁性膜为宜。此磁头中，磁屏蔽罩13、16还起电极的作用，使电流流向元件。两电极之间除MR元件外还配置了绝缘膜18。如图所示，MR元件与磁屏蔽罩之间，可以加一层导电性的隔层20。
在此磁头中，MR元件100与导电性隔层20构成了还原缝17。
在共有屏蔽罩13上还依次层叠了构成存储缝的非磁性层14与上部磁芯12。这些部件与线圈11一起构成了存储磁头。
在使用了CIP-GMR元件的磁头中，如图5所示，绝缘膜18作为屏蔽间隔部件夹在MR元件200与磁屏蔽罩13、16之间。因为此MR元件的电极19之间的读出电流流向膜面，所以应该通过绝缘膜18使元件与屏蔽部件之间绝缘。
在图4所示的MR元件中，导电性隔层不一定非有不可。因此，如果需要使还原缝17更加窄小，则使隔层变为薄膜型或去掉隔层即可。但是在图5所示的MR磁头中，为了确保绝缘，绝缘膜18需要一定的膜厚。因此，还原缝17的窄小受到限制。如此，本发明的MR磁头能够使磁缝更加窄小。
如图6及图7所示，使用此MR磁头的硬盘装置110备有支持MR磁头的滑块120、支持滑块的磁头支持机构130、通过磁头支持机构跟踪磁头的致动器114、驱动磁盘116旋转的磁盘驱动马达112。磁头支持机构130包括臂122和吊架124。
磁盘驱动马达112以设定的速度驱动磁盘116旋转。致动器114使保持MR磁头的滑块120在磁盘116的直径方向移动，以便使MR磁头可以进入磁盘116的设定的数据磁道。致动器114例如为直线式或旋转式的音圈马达。
支持MR磁头的滑块120例如为空气轴承滑块。此时，滑块120在硬盘装置110作启动/停止的工作时，与磁盘116的表面接触。
硬盘装置110在作存储与还原工作时，形成于旋转的磁盘116与滑块120之间的空气轴承使滑块120维持在磁盘116的表面上。滑块120保持的MR磁头对磁盘116进行信息的存储与还原。
实施例实施例1用多元溅射装置制作了图8所示结构的磁阻效应元件。基板7使用Si、下部电极5(包括衬底层)使用Cu膜、磁化翻转抑制层4使用Pt-Mn膜、固定磁性层302使用Co-Fe膜、界面磁性层301、102使用Fe膜非磁性层2使用Cu膜、软磁性层101使用Ni-Fe膜、上部电极6使用Cu膜。在溅射法的制作当中，将真空室内的空气排到1×10-8Torr以下后，通入Ar气，使Ar气约达到0.8mTorr。
将如此制作的元件的膜结构与膜厚同时表示如下(膜厚的单位为nm，以下同)；元件A基板/Cu(500)/Pt0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/Fe(2)/Cr(2)/Fe(1)/NiFe(10)/Cu还有，我们知道以Cr作为非磁性层来使用时，磁耦合因交变相互作用，如图3所示，在强磁性耦合与反强磁性耦合之间交往返逐渐衰减。Cr膜的膜厚在2nm时，磁耦合接近子零。
为了进行比较，用Cu作为非磁性层，按上述同样的方法制作了元件。可是，此时，因为若在界面插入Fe层则MR比大大降低，所以没有插入界面磁性层，而加厚了固定层和自由层。此元件的膜结构如下；元件B基板/Cu(500)/Pt0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(3)/Cu(2)/NiFe(11)/Cu将这些MR元件从成膜装置中取出后，放在1×10-5Torr以下的真空中，施加5kOe的磁场，在250℃的温度下放置了5小时(进行热处理)。然后，用(电子滤光器)使元件部分成0.1×0.1μm2，加工成可以取出电极的形状。接着，在室温下施加最高为400KA/m的磁场，通过大小相等的电流，用直流四端法对元件的MR特性进行评价。结果如下。电阻变化量用以元件B为基准的相对值来表示。
(表1)
元件A与常规的元件B相比，虽然MR比的相差不大，但与输出直接相关的电阻变化量有很大的差异。
然后，用元件A、B组成图4所示的MR磁头，进行了特性评价。基板用了Al2O3-TiC基板，磁屏蔽罩用了Ni0.8Fe0.2合金，绝缘膜用了Al2O3。
在这个磁头的电极(磁屏蔽罩)之间，通过作为读出电流的直流电流，同时施加约为3KA/m的交流信号磁场，对两个磁头的输出进行评价。结果如下。在此，以使用了元件B的MR磁头的输出为基准。
(表2)
使用了元件A的MR磁头的输出比使用了常规的元件B的MR磁头的输出大。
(实施例2)用与实施例1相同的方法制作了图9所示结构的MR元件。但是，图中固定层虽然显示为一层，而实际使用了CoFe/Ru/CoFe的层叠过渡型的固定层。基板7使用了玻璃基板，下部电极5及上部电极6使用了Cu膜，磁化翻转抑制层4使用了Ni-Mn合金膜，非磁性层2使用了Ru膜，自由层1使用了Co0.9Fe0.1合金。没有形成界面磁性层。此元件的膜结构如下；元件C基板/Cu(500)/Ta(3)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/
Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(3)/Ru(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Ru(2.5)/Co0.9Fe0.1(3)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu另外，Ta膜采用了改善磁化旋翻抑制层的特性的衬底膜。同样，还制作了使用了Ir及Rh的膜作为非磁性层。
元件D基板/Cu(500)/Ta(3)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(3)/Ir(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Ir(2.5)/Co0.9Fe0.1(3)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu元件E基板/Cu(500)/Ta(3)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(3)/Rh(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Rh(2.5)/Co0.9Fe0.1(3)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu另外，作为非磁性层使用Ru、Rh、或Ir时，与使用Cr时相同，磁耦合因交变相互作用，随着非磁性膜的增加，在强磁性耦合与反强磁性耦合之间往返着逐渐衰减。此磁耦合在上述Ru等膜厚为2.5nm时，交变相互作用充分衰减，与使用Cr膜时(实施例1)一样，满足|H couping|≤0.2X|P|的关系。
为了进行比较，用相同的方法制作了非磁性层使用了Cu的膜。
元件F基板/Cu(500)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(3)/Cu(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Cu(2.5)/Co0.9Fe0.1(3)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu将如此制作的MR元件进行热处理、成形后，用与实施例1相同的方法通以垂直于膜面的电流，测定了MR效果。结果如表3。电阻变化量用以元件F为基准的相对值表示。
(表3)
从表3可知，元件D～E比常规的元件F的电阻变化量大，因此可以获得大的输出。
本发明的MR元件可以用窄的缝而获得大的输出。所以，利用此MR元件的磁阻磁头和磁信息存储与还原装置能适用于高密度存储的设备。
权利要求
1.一种磁阻效应元件，包括第一磁性层；非磁性层；第二磁性层，隔着上述非磁性层，层叠在上述第一磁性层上；磁化翻转抑制层，用于抑制上述第二磁性层的磁化翻转；上述第一磁性层比上述第二磁性层容易随外部磁场产生磁化翻转，读出电流沿垂直于膜面的方向流动，其特征在于上述非磁性层具有以电阻率在4μΩ.cm以上200μΩ.cm以下的金属为主要成分的薄膜。
2.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，非磁性层含有Be、Bi、Cr、Hr、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Nb、Os、Pb、Pt、Re、Ru、Rh、Sb、Se、Ta、Th、Ti、Tl、V、W、Y及Zr中的至少一种。
3.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，非磁性层具有1.2nm以上的膜厚。
4.如权利要求3所述的磁阻效应元件，其特征在于，非磁性层具有20nm以下的膜厚。
5.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，设定非磁性层的膜厚，以使随着非磁性层的膜厚的增加在强磁性耦合与反强磁性耦合之间往返着逐渐衰减的磁耦合力的绝对值，在反强磁性最强时的磁耦合力的绝对值的20％以下。
6.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，非磁性层的面积在0.01μm2以下。
7.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，非磁性层以Cr作为主要成分。
8.如权利要求7所述的磁阻效应元件，其特征在于，在第一磁性层与第二磁性层之中，至少其一是由一层或两层以上的磁性膜构成，至少与非磁性层相接的磁性膜以Fe作为主成分。
9.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，非磁性层的主要成分为Ir、Ru、及Rh中的至少一种。
10.如权利要求9所述的磁阻效应元件，其特征在于，在第一磁性层与第二磁性层之中，至少其一是由一层或两层以上的磁性膜构成，至少与非磁性层相接的磁性膜的主要成分为Fe、Co及Ni中的至少一种。
11.一种磁阻效应型磁头，具有权利要求1所述的磁阻效应元件，和磁屏蔽罩。
12.一种磁存储与还原装置，具有如权利要求11所述的磁阻效应型磁头和通过上述磁阻效应型磁头进行信息存储或还原的磁存储媒体。
全文摘要
在本发明中，作为所谓的CPP－GMR元件的非磁性层，使用了以电阻率在4μΩ.cm以上200μΩ.cm以下的金属为主要成分的薄膜。此元件即使在面积受限制时，其电阻也不会过高。所以，即使在很窄的磁缝中也能获得大的输出。
文档编号H01L43/08GK1437772SQ01811520
公开日2003年8月20日 申请日期2001年6月21日 优先权日2000年6月22日
发明者川分康博, 杉田康成, 榊间博 申请人:松下电器产业株式会社