专利名称：磁隧道器件、其制造方法及磁头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁隧道器件、其制造方法以及磁头，在该磁隧道器件中有通过一对隧道阻挡层而层叠起来的磁性层，隧道电流从一个磁性层流到另一个磁性层，且隧道电流的电导随这一对磁性层的磁极化率的变化而变化。
迄今，已报道有磁隧道效应，即，在一对磁性金属层夹持一薄绝缘层的层结构中，若向作为电极的一对磁性金属层施加预定的电压，则在绝缘层中流动的隧道电流的电导随一对磁性金属层的磁化的相对角度而变化。即在一对磁性金属层夹持一薄绝缘层的层结构中，在绝缘层中流动的隧道电流具有磁电阻效应。
该磁隧道效应，可根据一对磁性金属层的磁极化率计算出理论磁电阻比。具体地，若一对磁性金属层用Fe，可得到约40％的磁电阻比。
因此，至少具有一对磁性金属层夹持薄绝缘层的层结构的磁隧道器件，作为检测外部磁场用的元件使用时，引入注目。
另外，上述磁隧道器件，一般用金属氧化物做薄绝缘层。但是，用金属氧化物作绝缘层的情况下，会形成针孔等，导致在一对磁性金属层之间发生短路。另外，若用金属氧化物作绝缘层，有时金属氧化程度不充分，从而隧道阻挡层不完全，得不到磁隧道效应。
本发明正是鉴于上述情况而提出的，目的在于提供一种隧道电流可靠地流入隧道阻挡层、可获得稳定的磁隧道效应的磁隧道器件、其制造方法以及磁头。
根据本发明的磁隧道器件，第一磁性层和第二磁性层通过隧道阻挡层层叠起来，其特征在于具有这样的区域，即所施加的使上述第二磁性层的电位低于第一磁性层的电压发生变化时磁电阻比的变化，比所施加的使第二磁性层的电位高于第一磁性层的电压发生变化时磁电阻比的变化小。
根据本发明的上述结构的磁隧道器件，通过以第二磁性层的电位低于第一磁性层的方式施加电压，使电子通过隧道阻抗层从第二磁性层向第一磁性层流动。这时与电子逆向流动的情况相比，磁隧道器件的磁电阻比变化量小。换言之，若以第二磁性层的电位低于第一磁性层的方式施加电压，则磁隧道器件的磁电阻比对电压的依赖性小。因此，在该磁隧道器件中，隧道电流可不依赖于电压大小地稳定地流过隧道阻挡层。
根据本发明的另一磁隧道器件，其特征在于包括第一磁性层；在上述第一磁性层上形成的、从上述第一磁性层侧氧化程度增加的隧道阻挡层；以及在上述隧道阻挡层上形成的第二磁性层，且通过从上述第二磁性层向上述第一磁性层供给电子，使上述隧道阻挡层中流过隧道电流。
根据本发明的上述结构的磁隧道器件，通过在第一磁性层上分阶段氧化金属以形成隧道阻挡层。即，在第一磁性层上形成氧化程度最低的隧道阻挡层。由此，隧道阻挡层和第一磁性层的结合性好。另外，在该隧道器件中，电子向隧道阻挡层的供给方向是规定的。因此，在该磁隧道器件中，隧道电流可不依赖于电压大小地稳定地流过隧道阻挡层。
根据本发明的制造磁隧道器件的方法，其特征在于包括下列步骤形成第一磁性层；在上述第一磁性层上通过对金属分阶段氧化而形成隧道阻挡层；以及借助于该隧道阻挡层在上述第一磁性层上形成第二磁性层。
根据如上构成的本发明的磁隧道器件的制造方法，由于通过对金属分阶段氧化而形成隧道阻挡层，可以提高第一磁性层和隧道阻挡层的粘结性能。而且由于通过对金属分阶段氧化而形成隧道阻挡层，隧道电流可不依赖于电压大小地稳定地流到隧道阻挡层。
根据本发明的磁头，其特征在于包括磁隧道器件，其中第一磁性层通过隧道阻挡层和第二磁性层层叠起来，其特征在于具有这样的区域，即所施加的使上述第二磁性层的电位低于第一磁性层的电压发生变化时的磁电阻比的变化，比所施加的使第二磁性层的电位高于第一磁性层的电压发生变化时的磁电阻比的变化小；且该磁隧道器件用作磁检测部分(或称磁敏部分)。
根据如上构成的本发明的磁头中，通过以第二磁性层的电位低于第一磁性层的方式向磁隧道器件施加电压，使电子通过隧道阻抗层从第二磁性层向第一磁性层流动。这时与电子逆向流动的情况相比，磁隧道器件的磁电阻比变化量小。换言之，若以第二磁性层的电位低于第一磁性层的方式施加电压，则磁隧道器件的磁电阻比对电压的依赖性小。因此，在磁头中，作为磁检测部分的磁隧道器件可以稳定地工作。
根据本发明的另一磁头，其特征在于包括磁隧道器件，其中包括第一磁性层；在上述第一磁性层上形成的、从上述第一磁性层侧氧化程度增加的隧道阻挡层；以及在上述隧道阻挡层上形成的第二磁性层，且通过从上述第二磁性层向上述第一磁性层供给电子使上述隧道阻挡层中流过隧道电流；且该磁隧道器件用作磁检测部分。
根据本发明的上述结构磁头中，把在第一磁性层上分阶段氧化金属以形成隧道阻挡层的磁隧道器件用作磁检测部分。即，在磁隧道器件中的第一磁性层上形成氧化程度最低的隧道阻挡层。由此，隧道阻挡层和第一磁性层的结合性好。另外，在该磁头中，电子向隧道阻挡层的供给方向是规定的。因此，在该磁头中，隧道电流可不依赖于电压大小地稳定地流过隧道阻挡层，作为磁检测部分的磁隧道器件可以稳定地工作。
图1示出磁隧道器件的一例的主要部分立体图2是磁隧道器件的主要部分的截面图；图3是磁隧道器件中电压和归一化磁电阻比的关系图；图4是与恒定电流源和电压计连接的磁隧道器件的主要部分的立体图；图5是向磁隧道器件施加的电压与电阻值和磁电阻比的特性图；图6是磁隧道器件中隧道阻挡层的示意图；图7是未施加退火处理而形成的磁隧道器件中，施加电压与电阻值和磁电阻比的特性图。
下面，结合附图详细描述本发明的磁隧道器件及其制造方法以及磁头的最佳方案。
如图1所示，磁隧道器件包括在非磁性基板1上形成的带状的第一磁性金属层2、以覆盖该第一磁性金属层2的大约中心部分的方式形成的隧道阻挡层3、以及在该隧道阻挡层3上形成的第二磁性金属层4。在该磁隧道器件中，第一磁性金属层2和第二磁性金属层4以其长度方向基本垂直的方式形成。因此，在该磁隧道器件中，第一磁性金属层2和第二磁性金属层4在它们的基本为中心的部分间隔着隧道阻挡层3而叠层。
在该磁隧道器件中，第一磁性金属层2和第二磁性金属层4通过隧道阻挡层3而层叠的部分的截面图示于图2。如图2所示，第一磁性金属层2是从非磁性基板1侧依次层叠的NiFe层5与Co层6构成的双层结构。而第二磁性金属层4是从隧道阻挡层3依次层叠的Co层7、NiFe层8、FeMn层9和Ta层10构成的四层结构。
具体地，非磁性基板1采用表面氧化了3000埃厚度的硅(100％)基板。
另外，在第一磁性金属层2中，NiFe膜5是矫顽力小，随外部磁场改变磁化方向的自由磁化膜。Co层6和后述的Co层7是为了增加旋转极化率而设置的层。即，通过在NiFe膜5和隧道阻挡层3的界面以及NiFe膜9和隧道阻挡层3的界面上设置Co层6和Co层7，可以增加该磁隧道器件的磁电阻比。
具体地，在上述非磁性基板1上形成厚188埃的NiFe膜5，在该NiFe膜5上形成厚33埃的Co膜6。另外，该NiFe膜5和Co膜6用金属掩模通过溅射而形成带状的膜。
然后，在该第一磁性金属膜2中，进行所谓的退火处理。该退火处理是在350℃下6×10-4Pa的真空中，同时在第一磁性金属膜2的长度方向上施加3300 Oe的磁场而进行的。
隧道阻挡层3是通过分段金属氧化获得的从第一磁性金属层2侧氧化程度逐渐增加的层。该隧道阻挡层3是第一磁性金属层2和第二磁性金属层4之间的电气阻挡层，即所述的隧道阻挡层。
该隧道阻挡层3，用例如Al、Gd、Hf、Fe、Co、Ni、Se、Mg等金属形成。但是，对于隧道阻挡层3，并不限于这些金属元素，只要通过氧化可得到隧道阻挡层，用任何金属都可以。
在形成隧道阻挡层3时，在如上述形成的第一磁性金属层2上，也可以形成由增加氧分压的金属元件构成的膜。由于由此增加了氧分压，隧道阻挡层3可形成为从第一磁性金属层2侧氧化程度逐渐增加。
具体地，在形成隧道阻挡层3时，处理气体可采用Ar和O2的混合气体。在该Ar和O2的混合气氛下，可用60秒形成上述金属的膜，得到隧道阻挡层3。开始成膜时，混合气体中的分压比Ar∶O2＝10∶0，60秒后分压比Ar∶O2＝10∶1，以这样的趋势使氧分压成正比增加。
上述步骤，是通过使氧分压成正比增加的方式使金属分阶段氧化，形成隧道阻挡层3。但本发明并不限于这种方式。换言之，为了使金属分阶段氧化，也可以使氧分压以指数函数增加。
在第二磁性金属层4中，FeMn层9是反强磁性材料，它把NiFe层8的磁化固定在预定方向上。通过该FeMn层9，NiFe层8成为固定磁化膜。在该第二磁性金属层4中，如上所述，Co层7是为了提高磁隧道器件的磁电阻比而设置的层。且在该第二磁性金属层4中，Ta层10是为了防止FeMn层9腐蚀而设置的层。
具体地，以Co层7的膜厚为26埃、NiFe层8厚188埃、FeMn层厚450埃、Ta层10厚200埃的方式，用金属掩模通过溅射依次形成带状的各层。这时，在与长度方向垂直的方向上施加520Oe的磁场的情况下，形成各层。
在溅射形成各层时，处理气体采用Ar气。形成各层时的Ar气压，对于NiFe膜5、8和Co层6、7，是0.3Pa，对Al是0.2Pa，对FeMn膜9是0.6Pa。
具体地，把第一磁性金属层2和第二磁性金属层4的重合部分的面积，即隧道电流流过的部分的面积，作成在100×100～500×500μm2范围内的九种。
对于如上述构成的磁隧道器件，如果施加外部磁场，第一磁性金属层2中NiFe膜5的磁化方向变化。与此相反，第二磁性金属层4即使施加外部磁场，磁化方向也不改变。因此，如果向磁隧道器件施加外部磁场，则NiFe膜5的磁化方向和NiFe膜8的磁化方向的相对角度发生变化。
如果NiFe膜5的磁化方向和NiFe膜8的磁化方向的相对角度变化，与流过隧道阻抗层3的隧道电流对应的电阻值也变化。换言之，与流过隧道阻挡层3的隧道电流对应的电阻值，随NiFe膜5和NiFe膜8的磁化方向之间的相对角度变化而变化。因此，在该磁隧道器件中，如果在该隧道阻挡层3流过预定的隧道电流，通过检测该隧道电流的电压值，就可检测与该隧道电流对应的电阻值的变化作为电压变化。即，通过检测该隧道器件的隧道电流的电压变化，就可检测出外部磁场。
尤其是，在该磁隧道器件中，在施加的电压使第二磁性金属层4比第一磁性金属层2电位低的情况，与施加的电压使第二磁性金属层4比第一磁性金属层2电位高的情况相比，电压变化造成的磁电阻比的变化量不同。在下面的说明中，如果施加的电压使第二磁性金属层4比第一磁性金属层2电位低，称之为“正电压”，如果施加的电压使第二磁性金属层4比第一磁性金属层2电位高，称之为“负电压”。
如图3所示，在该磁隧道器件中，具有与正电压变化对应的磁电阻比变化量比与负电压变化对应的磁电阻比变化量小的领域。换言之，在施加正电压的情况下，在磁隧道器件中有不随电压变化而变化的磁电阻比基本恒定的区域。
在图3中，纵轴是用预定电压的磁电阻比除以最大磁电阻比得到的值(即“归一化MR比”)，横轴是向磁隧道器件施加的电压(正电压是“+”，负电压是“-”)的大小。
该磁隧道器件，通过用磁电阻比不随电压变化而是基本为一恒定值的区域驱动，可以得到稳定的磁隧道效果。即，在该磁隧道器件中，通过使电子从第二磁性金属层4向第一磁性金属层2流动，可得到不随电压变化基本恒定的磁电阻比，从而可以稳定地动作。具体地，如从图3可看出的，通过施加0～50mV的正电压，磁隧道器件可得到在1％以内变化的磁电阻比。因此，通过用0～50mV的正电压驱动，可实现稳定的动作。
另外，优选地，在该磁隧道器件中，磁电阻比的变化在1％以内时正电压至少在0～1.25mV的范围内。换言之，优选地，在磁隧道器件中，磁电阻比的变化在1％以内时正电压的最大值在1.25mV以上。
例如，磁隧道器件采用铁，磁电阻比为40％左右时，要得到0.5mV的电压变化输出，驱动电压必须为1.2mV。换言之，若磁电阻比的变化在1％以内且正电压的最大值小于1.25mV，则用磁电阻比为40％左右的磁隧道器件，就不能得到足够的电压变化输出。
优选地，在记录媒体中重放记录信号的磁头中使用该磁隧道器件。换言之，在具有从磁记录媒体中检测磁场的磁检测部分的磁头中，优选地使用上述磁隧道器件。在该磁头中，通过向磁隧道器件施加正电压，可以从磁记录媒体中稳定地检测磁场。
另外，由于磁隧道器件的磁电阻比比通常的各向异性磁阻效应元件和巨磁阻效应元件更大，所以在高密度记录媒体的磁头中，优选使用磁隧道器件。换言之，通过在磁头的磁检测部分使用磁隧道器件，可实现从高密度记录的磁记录媒体中稳定地重放。
在上述磁隧道器件中，施加正电压时，磁电阻比可不随电压变化，而是基本上恒定。其原因在于在磁隧道器件中，通过使隧道阻挡层3的金属分阶段氧化，使得形成为从第一磁性金属层2侧氧化程度增加。
通过向该隧道阻挡层3如上所述地施加正电压，使电子从氧化程度高的一侧供给。换言之，通过从氧化程度高的第二磁性金属层4侧供给电子，该磁隧道器件可表现出稳定的磁隧道效应。
为了验证这一点，如图4所示，把上述的磁隧道器件，和提供恒定电流的恒定电流源、测量第一磁性金属层2和第二磁性金属层4之间电压的电压计连接起来，使电子的供给方向变化，测量其电阻值和磁电阻比。
这时，把从第一磁性金属层2向第二磁性金属层4供给电子的情况称为“-方向”，相反地，把从第二磁性金属层4向第一磁性金属层2供给电子的情况称为“+方向”。而且，把电压计连接为使在“-方向”供应电子的情况下，电压计是负值；在“+方向”供应电子的情况下，电压计是正值。
对这样构成的磁隧道器件，施加一定方向的外部磁场，测量改变电压时的电阻值变化和磁电阻比变化。结果示于图5。
从图5可明显看出，在“-方向”供给电子的情况下，随施加的电压增大电阻值变化。换言之，在“-方向”供给电子的情况下，隧道阻挡层3的电阻值具有随电压而变化的电压依存性。
相反地，在“+方向”供给电子的情况下，随施加的电压增大电阻值基本上恒定不变。即，在“+方向”供给电子的情况下，隧道阻挡层3没有电压依存性。如图5所示，由于在预定方向上施加了外部磁场，磁电阻比恒定。另外，上述图3是用图5中的磁电阻比的值制成的。
因此，证实了在具有从第一磁性金属层2侧氧化程度逐渐增加的隧道阻挡层3的情况下，通过“+方向”供给电子，磁隧道器件可具有无电压依存性的稳定的磁隧道效应。其原因，认为是在隧道阻挡层3中第二磁性金属层4侧的部分氧化程度最大，隧道阻挡层3的厚度方向隧道阻挡层的电势分布如图6所示的缘故。
另外，在上述磁隧道器件中，形成氧分压逐渐增加的隧道阻挡层3。因此，在该磁隧道器件中，隧道阻挡层3和第一磁性金属层2的结合性能优良。因此，在该磁隧道器件中，隧道阻挡层很难从第一磁性金属层2上剥离，可确定地防止第一磁性金属层2和第二磁性金属层4之间的针孔导致的短路。由此在该磁隧道器件中，可以流过恒定的隧道电流。
另外，在该磁隧道器件中进行退火处理。考虑磁电阻比和软磁特性或者磁稳定性来确定该退火处理的温度条件和磁场条件。因此，通过该退火处理，磁隧道器件可表现出所期望的磁电阻比和软磁特性。
与此相反，没有进行退火处理的磁隧道器件，在施加一定方向的外加磁场时，改变电压时，电阻值的变化和磁电阻比的变化如图7所示。如图7所示，在未进行退火的情况下，无论是从“+方向”，还是从“-方向”供给电子，都没有发现对电压的依存性。
因此，如上所述，施加了退火处理的隧道器件，可以获得从第二磁性金属层4向第一磁性金属层2供给电子的效果。
在上述磁隧道器件中，通过施加正电压，可表现出磁电阻比无电压依存性，基本上是一恒定值。但是，本发明并不仅限于这种情况，例如，对于具有磁电阻比对负电压变化的变化量与对正电压变化的变化量相比更小的区域的磁隧道器件，也可以采用。即，在这种情况下，向磁隧道器件施加负电压，通过从第一磁性金属层2向第二磁性金属层4供给电子，可表现出磁电阻比不随电压而变化，而是基本呈现一恒定值。因此，在该磁隧道器件中，通过施加负电压，可得到稳定的磁隧道效应。
如上所述，根据本发明的磁隧道器件，通过以第二磁性层的电位低于第一磁性层的方式施加电压，则磁隧道器件的磁电阻比对电压的依存性小。因此，在该磁隧道器件中，隧道电流可不依赖于电压大小地稳定地流过隧道阻挡层，可得到稳定的磁隧道效应。
另外，根据本发明的磁隧道器件，在第一磁性层上形成从第一磁性层氧化程度增加的隧道阻挡层，且使电子通过隧道阻抗层从第二磁性层向第一磁性层流动。由此，在该磁隧道器件中，隧道电流可不依赖于电压大小地稳定地流过隧道阻挡层，可得到稳定的磁隧道效应。另外，由于绝缘层和第一磁性层的接触面的氧化程度最低，绝缘层和第一磁性层的结合性好。因此，在该磁隧道器件中，可得到稳定的磁隧道效应。
还有，根据本发明的磁隧道器件的制造方法，由于通过对金属分阶段氧化而形成隧道阻挡层，可以提高第一磁性层和隧道阻挡层的粘结性能。而且在该方法中，由于通过对金属分阶段氧化而形成隧道阻挡层，可制造隧道电流不依赖于电压大小地稳定地流到隧道阻挡层的磁隧道器件。因此，用该方法，可制造磁隧道效应稳定的磁隧道器件。
而且，根据本发明的磁头中，通过以第二磁性层的电位低于第一磁性层的方式向磁隧道器件施加电压，磁隧道器件的磁电阻比变化量减小。因此，在磁头中，作为磁检测部分的磁隧道器件可以稳定地工作，表现出稳定的电磁变换特性。
权利要求
1.一种磁隧道器件，其中第一磁性层和第二磁性层通过隧道阻挡层层叠起来，其特征在于具有这样的区域，即所施加的使上述第二磁性层的电位低于第一磁性层的电压发生变化时磁电阻比的变化，比所施加的使第二磁性层的电位高于第一磁性层的电压发生变化时磁电阻比的变化小。
2.如权利要求1所述的磁隧道器件，其特征在于磁电阻比在1％内变化时，所施加的使上述第二磁性层的电位低于上述第一磁性层的电压的最大值不小于1.25mV。
3.如权利要求1所述的磁隧道器件，其特征在于上述第一磁性层至少具有随外加磁场改变磁化方向的自由磁化膜，同时上述第二磁性层至少具有被固定磁化到预定方向上的固定磁化层。
4.如权利要求1所述的磁隧道器件，其特征在于上述第一磁性层至少具有被固定磁化到预定方向上的固定磁化层，同时上述第二磁性层至少具有随外加磁场改变磁化方向的自由磁化膜。
5.如权利要求1所述的磁隧道器件，其特征在于施加了200～350℃温度下的退火处理。
6.一种磁隧道器件，其特征在于包括第一磁性层；在上述第一磁性层上形成的、从上述第一磁性层侧氧化程度增加的隧道阻挡层；以及在上述隧道阻挡层上形成的第二磁性层，且通过从上述第二磁性层向上述第一磁性层供给电子使上述隧道阻挡层中流过隧道电流。
7.如权利要求6所述的磁隧道器件，其特征在于上述第一磁性层至少具有随外加磁场改变磁化方向的自由磁化膜，同时上述第二磁性层至少具有被固定磁化到预定方向上的固定磁化层。
8.如权利要求6所述的磁隧道器件，其特征在于上述第一磁性层至少具有被固定磁化到预定方向上的固定磁化层，同时上述第二磁性层至少具有随外加磁场改变磁化方向的自由磁化膜。
9.如权利要求6所述的磁隧道器件，其特征在于施加了200～350℃温度下的退火处理。
10.一种制造磁隧道器件的方法，其特征在于包括下列步骤形成第一磁性层；在上述第一磁性层上通过对金属分阶段氧化而形成隧道阻挡层；以及通过该隧道阻挡层在上述第一磁性层上形成第二磁性层。
11.一种磁头，其特征在于包括磁隧道器件，其中第一磁性层和第二磁性层通过隧道阻挡层层叠起来，且具有这样的区域，即所施加的使上述第二磁性层的电位低于第一磁性层的电压发生变化时的磁电阻比的变化，比所施加的使第二磁性层的电位高于第一磁性层的电压发生变化时的磁电阻比的变化小；且该磁隧道器件用作磁检测部分。
12.如权利要求11所述的磁隧道器件，其特征在于磁电阻比在1％内变化时，所施加的使上述第二磁性层的电位低于上述第一磁性层的电压的最大值不小于1.25mV。
13.如权利要求11所述的磁隧道器件，其特征在于上述第一磁性层至少具有随外加磁场改变磁化方向的自由磁化膜，同时上述第二磁性层至少具有被固定磁化到预定方向上的固定磁化层。
14.如权利要求11所述的磁隧道器件，其特征在于上述第一磁性层至少具有被固定磁化到预定方向上的固定磁化层，同时上述第二磁性层至少具有随外加磁场改变磁化方向的自由磁化膜。
15.如权利要求11所述的磁隧道器件，其特征在于施加了200～350℃温度下的退火处理。
16.一种磁头，其特征在于包括磁隧道器件，其中包括第一磁性层；在上述第一磁性层上形成的、从上述第一磁性层侧氧化程度增加的隧道阻挡层；以及在上述隧道阻挡层上形成的第二磁性层，且通过从上述第二磁性层向上述第一磁性层供给电子使上述隧道阻挡层中流过隧道电流；且该磁隧道器件用作磁检测部分。
17.如权利要求16所述的磁隧道器件，其特征在于上述第一磁性层至少具有随外加磁场改变磁化方向的自由磁化膜，同时上述第二磁性层至少具有被固定磁化到预定方向上的固定磁化层。
18.如权利要求16所述的磁隧道器件，其特征在于上述第一磁性层至少具有被固定磁化到预定方向上的固定磁化层，同时上述第二磁性层至少具有随外加磁场改变磁化方向的自由磁化膜。
19.如权利要求16所述的磁隧道器件，其特征在于施加了200～350℃温度下的退火处理。
全文摘要
一种磁隧道器件,其中第一磁性层和第二磁性层通过隧道阻挡层层叠起来,且具有这样的区域,即所施加的使上述第二磁性层的电位低于第一磁性层的电压发生变化时磁电阻比的变化,比所施加的使第二磁性层的电位高于第一磁性层的电压发生变化时磁电阻比的变化小。通过施加使第二磁性电位低于第一磁性层的电压,可使该磁隧道器件的磁电阻比随电压的变化小,隧道电流稳定地流动。
文档编号H01F10/32GK1274475SQ99801198
公开日2000年11月22日 申请日期1999年6月22日 优先权日1998年6月22日
发明者熊谷静似, 本多顺一, 池田义人 申请人:索尼株式会社