CN100378803C - 磁阻效应元件、磁头及磁记录装置 - Google Patents

磁阻效应元件、磁头及磁记录装置 Download PDF

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Abstract

一种磁阻效应元件，其具有垂直平面电流结构，包括：晶体材料的电极层(12)；导电非晶材料的基层(14)，形成在该电极层(12)之上；晶体材料的反铁磁层(18)，形成在该基层(14)之上；铁磁层(20)，形成在该反铁磁层(18)之上，并且具有由该反铁磁层(18)所限定的磁化方向；非磁性中间层(22)，形成在该铁磁层(20)之上；铁磁层(24)，形成在该非磁性中间层(22)之上，并具有随外界磁场改变的磁化方向；以及电极层(28)，形成在该铁磁层(24)之上。

Description

磁阻效应元件、磁头及磁记录装置
技术领域
本发明涉及一种磁阻效应元件、磁头及磁记录装置，更具体来说，涉及一种具有CPP(垂直平面电流)结构的磁阻效应元件以及采用该磁阻效应元件的磁头和磁记录装置，在该CPP结构中，采用了所谓的旋转阀门膜(spinvalve film)，并且检测电流沿膜厚方向流动。
背景技术
采用旋转阀门膜的磁阻效应元件包括两层磁层：其中一层磁层的磁化方向关于反铁磁层等被单向各向异性磁场锁定，而另一层磁层的磁化方向则易于被外界磁场改变。元件电阻通过这些磁层磁化方向的相对角度而发生改变的特性被用于以元件电阻的改变为基础来检测外部磁场的方向。
正如人们所熟知的，使用旋转阀门膜的传统磁阻效应元件是一种CIP(电流在平面内)结构的磁阻效应元件，其中，检测电流沿旋转阀门膜的平面方向流动，以检测沿膜平面内方向的电阻变化。
另一方面，人们注意到更高密度和更高灵敏度的磁阻效应元件为CPP(垂直平面电流)结构的磁阻效应元件，其中，检测电流沿旋转阀门膜的膜厚方向流动，以检测膜厚方式(film thickness-wise)的电阻变化。CPP结构的磁阻效应元件具有随着尺寸变小元件输出增加的特性，并且有望作为用于高密度磁记录装置中的高灵敏度的读取头。
在例如参考文献1(日本公开待审的专利申请No.2001-325704)，参考文献2(日本公开待审的专利申请No.Hei 07-287819)，参考文献3(日本公开待审的专利申请No.2000-216020)，参考文献4(日本公开待审的专利申请No.2003-317213)，参考文献5(Atsushi Tanaka et al.，“用于超高密度记录的垂直平面电流模式的旋转阀磁头”，美国电气及电子工程师学会会刊，磁学，第38栏，第84-88行，2002年1月(Spin-Valve Heads in theCurrent-Perpendicular-to-Plane Mode for Ultrahigh-Density Recording，IEEETrans.Magn.，Vol.38，pp.84-88，January 2002))中公开了相关的技术。
发明内容
为了稳定运行作为磁头的磁阻效应元件，需要充分锁定锁定磁层的磁化方向。作为增强磁化锁定力(单向各向异性磁场)的方式是被分为两层的磁化锁定层结构，这两层相互反铁磁地连接，并在其间设置如铷(Ru)等的非磁性层，即所谓的堆叠含铁结构(stacked-ferri structure)，并使用等轴晶系的材料(PtMn等)作为用于磁化锁定的反铁磁层。后者中，由适当的材料形成用于反铁磁层的基层，由此增加单向各向异性的磁场。基层的典型材料为NiCr。一般而言，NiCr具有大的粒度，这使得在其上形成的反铁磁材料的粒度增加。粒度的增加能够稳定反铁磁层中的磁化并增加单向各向异性的磁场。
在CIP结构的磁阻效应元件中，检测电流沿旋转阀门膜平面内的方向流动，下屏蔽和旋转阀门膜必须相互绝缘，并且在下屏蔽和旋转阀门膜之间形成非晶绝缘材料的绝缘膜，如Al2O3膜等。在此情形下，在非晶绝缘膜上形成的如NiCr等反铁磁材料的基层能够具有生长达到约为1μm大的粒径的晶粒。
但是，在CPP结构的磁阻效应元件中，其中检测电流必须沿旋转阀门膜的膜厚方向流动，绝缘膜不能设置在基部屏蔽和旋转阀门膜之间，并且旋转阀门膜必须形成在基部屏蔽层上。但是，屏蔽层的一般材料NiFe为晶体材料，此外其还具有约数十纳米小的粒径。因此，对于在下屏蔽层上外延生长的反铁磁材料的基层的粒径反映下屏蔽层的粒度并且变小了。从而，反铁磁层的粒径不会变大，这降低了在反铁磁层上形成的铁磁层的交换结合力，由此降低了磁头装置的输出和输出稳定性。
本发明的目的是提供一种CPP结构的磁阻效应元件，其提高了锁定磁化层的磁化锁定力，从而改善了元件的输出和输出稳定性，并提供一种使用该磁阻效应元件的磁头和磁记录装置。
根据本发明的一个方案，提供一种磁阻效应元件，其具有垂直平面电流结构，包括：晶体材料的第一电极层；导电非晶材料的第一基层，形成在该第一电极层之上；晶体材料的反铁磁层，形成在该第一基层之上；第一铁磁层，形成在该反铁磁层之上，并且具有由该反铁磁层所限定的磁化方向；非磁性中间层，形成在该第一铁磁层之上；第二铁磁层，形成在该非磁性中间层之上，具有随外界磁场改变的磁化方向；以及第二电极层，形成在该第二铁磁层之上，其间具有或不具有一些导电层。
根据本发明的另一个方案，提供一种包括磁阻效应元件的磁头，该磁阻效应元件具有垂直平面电流结构，包括：晶体材料的第一电极层；导电非晶材料的第一基层，形成在该第一电极层之上；晶体材料的反铁磁层，形成在该第一基层之上；第一铁磁层，形成在该反铁磁层之上，并且具有由该反铁磁层所限定的磁化方向；非磁性中间层，形成在该第一铁磁层之上；第二铁磁层，形成在该非磁性中间层之上，具有随外界磁场改变的磁化方向；以及第二电极层，形成在该第二铁磁层之上，该磁阻效应元件基于与由外界磁场引起的该第一电极层和该第二电极层之间的相对角度相关的电阻值变化，检测外界磁场的方向。
根据本发明的又一个方案，提供一种磁记录装置，包括：磁记录介质；写元件，用于施加记录磁场到该磁记录介质，以记录磁信息；以及磁阻效应元件，其具有垂直平面电流结构，用于基于电阻值变化检测记录在该磁记录介质中的磁信息，该磁阻效应元件包括：晶体材料的第一电极层；导电非晶材料的第一基层，形成在该第一电极层之上；晶体材料的反铁磁层，形成在该第一基层之上；第一铁磁层，形成在该反铁磁层之上，并且具有由该反铁磁层所限定的磁化方向；非磁性中间层，形成在该第一铁磁层之上；第二铁磁层，形成在该非磁性中间层之上，具有随外界磁场改变的磁化方向；以及第二电极层，形成在该第二铁磁层之上。
根据本发明，在CPP结构的磁阻效应元件中，导电非晶材料的基层形成在反铁磁层和下屏蔽层之间，由此，反铁磁层的晶粒生长能够得到增强，而不会受到下屏蔽层的晶体结构的影响。这能够增加在反铁磁层上形成的锁定磁化层的磁化锁定力，并且能够改善磁阻效应元件的输出和输出稳定性。使用这种磁阻效应元件的磁头和磁记录装置能够改善这些装置的记录密度和产量。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的磁阻效应元件的示意性剖面图，其示出了该元件的结构。
图2为根据本发明第二实施例的磁记录装置的示意性平面图，其示出了该装置的结构。
图3为根据本发明第二实施例的磁记录装置的磁头的正视图，其示出了该磁头的结构。
具体实施方式
参考图1说明根据本发明第一实施例的磁阻效应元件及其制造方法。图1为根据本实施例的磁阻效应元件的示意性剖面图，其示出了该元件的结构。
首先，将参考图1说明根据本实施例的磁阻效应元件的结构。
在陶瓷基底10上形成如NiFe等软磁材料的下屏蔽层12。下屏蔽层12也作为下电极。在下屏蔽层12上，形成如CoFeB、TiSi、CoZrNb等导电非晶材料的第一基层14。在第一基层14上，形成NiCr等的第二基层16，用于反铁磁层的基层。在第二基层16上，形成如PtMn等反铁磁材料的反铁电层18。在反铁磁层18上，形成铁磁材料的锁定磁化层20。如图1所示进行举例说明，锁定磁化层20具有由如CoFe等铁磁材料的铁磁层20a、如Ru等非磁性材料的非磁性层20b以及如CoFe等铁磁材料的铁磁层20c所构成的堆叠含铁结构。在锁定磁化层20上，形成如Cu等非磁性材料的非磁性中间层22。在非磁性中间层22上，形成例如CoFe膜24a和NiFe膜24b的层膜的自由磁化层24。在自由磁化层24上，形成如Ta等非磁性材料的覆盖层(cap layer)26。在覆盖层26上，形成如NiFe等软磁材料的上屏蔽层28。上屏蔽层28也作为上电极。
如上所述，在根据本实施例的磁阻效应元件中，在下屏蔽层12和反铁磁层18之间，形成如CoFeB、TiSi、CoZrNb等导电非晶材料的第一基层14，以及用于反铁磁层基层的NiCr等的第二基层16。
第一基层14用于增强第二基层16的晶粒生长，而不会受到下屏蔽层12的晶体结构的影响。因此，以非晶材料形成第一基层。在CPP结构的磁阻效应元件中，检测电流必须沿旋转阀门膜的膜厚方向流动，因此以导电材料形成基层14。
从抑制元件电阻增加的角度来看，第一基层14的材料优选为较低电阻的材料。上述CoFeB、TiSi及CoZrNb分别具有约40-60μΩ-cm、约100μΩ-cm及约150μΩ-cm的电阻率。它们的电阻率小于约为200μΩ-cm的PtMn的电阻率，并且使用这些材料能够充分抑制元件电阻的增加。
为了降低元件电阻，优选使第一基层14变薄。薄化第一基层14导致上、下屏蔽层之间的距离减少。上、下屏蔽层之间的距离影响磁头的分辨率(resolution)，并且随着距离的变小，磁记录装置的记录密度能够得到改善。
从这点来看，第一基层14的膜厚适宜为不超过10nm，优选不超过5nm。膜厚的下限被限定为能够达到增强第二基层16的晶粒生长而不会受到下屏蔽层12的晶体结构影响的目的的最小膜厚，并且不小于1nm。
当以如CoFeB、CoZrNb等软磁材料形成第一基层14时，第一基层14可以是下屏蔽层12的一部分。在这种情况下，能够相应减小上、下屏蔽层之间的距离(屏蔽间隙)，这能够进一步改善磁盘装置的记录密度。
例如以Ni(Fe)Cr等形成第二基层16。第二基层16用于增强晶体生长以及易于规则合金化(regular alloying)将在第二基层16的表面上形成的反铁磁层18。
第一基层14形成在第二基层16下方，由此第二基层16的晶粒生长能够得到增强，而不受下屏蔽层12的晶体结构的影响，并且第二基层16能够生长例如约为1μm大的粒径。
在第二基层16上外延生长的反铁磁层18的晶粒生长由此得到增强。因此，在反铁磁层18上形成的锁定磁化层20的交换结合力增加，由此能够提高作为磁头元件的输出和输出稳定性。
因为在根据本实施例的磁阻效应元件中，锁定磁化层20具有堆叠含铁结构，因此反铁磁层18和锁定磁化层20之间的交换结合力能被进一步增强，并且作为磁头元件的输出和输出稳定性能被进一步提高。
接下来，将参照图1说明根据本实施例的磁阻效应元件的制造方法。
首先，在陶瓷基底10上，通过例如电镀形成例如几微米厚的NiFe，由此形成NiFe的下屏蔽层12。通过图案化工艺(patterning process)将下屏蔽层12图案化成预定图案。
然后，在下屏蔽层12上，通过例如溅射形成例如不超过10nm膜厚的CoFeB、TiSi或CoZrNb，由此形成这种导电非晶材料的第一基层14。
接着，在第一基层14上，通过例如溅射形成例如5nm厚的NiCr的第二基层16。此时，由于非晶材料的第一基层14形成在第二基层16的下方，因此能够生长具有大粒径的第二基层16，而不反映下屏蔽层12的晶体结构。
接下来，在第二基层16上，依次形成例如10nm厚PtMn的反铁磁层18、例如3nm厚CoFe的铁磁层20a、例如3nm厚Cu的非磁性中间层22、包括例如1nm厚的CoFe膜24a和例如3nm厚的NiFe膜24b的自由磁化层24、以及例如3nm厚Ta的覆盖层26。然后配置这些膜并形成绝缘膜和磁区控制膜。
然后，在覆盖层26上，通过例如电镀形成例如几微米厚的NiFe，并且形成NiFe的上屏蔽层28。
由此，制成如图1所示的根据本实施例的磁阻效应元件。
如上所述。根据本实施例，在CPP结构的磁阻效应元件中，导电非晶材料的基层形成在下屏蔽层和用于增强反铁磁层的晶体生长以进行规则合金化的基层之间，由此，用于反铁磁层的基层的晶粒生长得到增强，而不会受到下屏蔽层晶体结构的影响。这增加了将在用于反铁磁层的基层上形成的反铁磁层的粒径，由此锁定磁化层的磁化锁定力能够增加，并且能改善磁阻效应元件的输出和输出稳定性。
[第二实施例]
下面将参照图2和3说明根据本发明第二实施例的磁记录装置。本实施例与图1所示根据第一实施例的磁阻效应元件相同的部件用相同的附图标记表示，并且不重复说明或者简化其说明。
图2是根据本实施例的磁记录装置的示意性平面图，其示出了该装置的结构。图3是根据本实施例的磁记录装置的磁头的正视图，其示出了该磁头的结构。
首先，将参照图2说明根据本实施例的磁记录装置的结构。
根据本实施例的磁记录装置30包括盒形空心主体32，该空心主体32限定例如横向延伸的长方体的内部空间。容置空间容纳一个或更多作为记录介质的磁盘34。磁盘34安装在主轴电动机36的主轴上。主轴电动机36能够以例如7200rpm及10000rpm的高速度旋转磁盘34。用于与空心主体32配合以紧密封闭容置空间的覆盖物(未示出)即盖子被连接到空心主体32。
容置空间进一步容纳磁头传动装置38。磁头传动装置38可转动地设置在垂直延伸的支撑杆40上。磁头传动装置38包括多个从支撑杆40水平延伸的致动臂(actuator arm)42，以及设置在各致动臂42的前端从致动臂42向前延伸的磁头悬置组件44。致动臂42分别设置在磁盘34的正面和后面。
磁头悬置组件44包括加载梁46。加载梁46是所谓的弹性弯曲区并且连接到致动臂42的前端。弹性弯曲区用于施加预定的推动力(urging force)到磁盘34的表面。磁头48被安装在加载梁46的前端上。通过固定到加载梁46的万向接头(未示出)能够自由改变状态地支撑磁头48。
当旋转磁盘34在磁盘34的表面上产生气流时，气流施加正压力(即浮力)和负压力到磁头48。使浮力、负压力和推动力平衡，由此允许磁头48在磁盘34旋转期间保持具有相对高刚性的浮动。
动力源(power source)50例如音圈电机(VCM)连接到致动臂42。动力源50在支撑杆40上旋转致动臂42。旋转的致动臂42能够移动磁头悬置组件44。当致动臂42在磁头48浮动期间摆动时，磁头48能够径向穿过磁盘34的表面。这种移动能够把磁头48定位在磁盘34上所需的记录轨道处。
接下来，将参照图3详细说明根据本实施例的磁记录装置的磁头48。
如图3所示，包括感应式写元件54和磁阻效应元件52的磁头48一般包括被例如氧化铝等绝缘体覆盖的磁阻效应元件52和感应式写元件54，在作为磁头滑动器基部的Al2O3-TiC(AlTiC)的平坦陶瓷基底10上，使后者在前者上依次形成。
磁阻效应元件52是根据例如本发明第一实施例的磁阻效应元件，并包括陶瓷基底10上的下电极56、在下电极56上形成的旋转阀门膜58、在旋转阀门膜58上形成的上电极60、以及位于旋转阀门膜58的两侧、之间形成有绝缘膜62的磁区控制层64。
下电极56和上电极60起到检测电流的路径的作用，并且也起到磁屏蔽的作用，其分别对应于根据第一实施例的磁阻效应元件的下屏蔽层12和上屏蔽层28。旋转阀门膜58对应于如图1所示根据第一实施例的磁阻效应元件从第一基层14到覆盖层26的层膜。第一基层14可形成为下电极56的最上层膜或者作为旋转阀门膜58的最下层膜。磁区控制层64限定单个磁化区域中的自由磁化层24，并且用于防止巴克豪森(Barkhausen)噪音的产生。
感应式写元件54包括其宽度等于与磁盘34相对的表面中的轨道宽度的上磁极66；与上磁极66相对、其间形成有非磁性间隙层68的下磁极70；使上磁极66和下磁极70相互连接的轭(未示出)；缠绕在轭周围的线圈(未示出)，等等。上磁极66、下磁极和轭由软磁材料形成，并且适宜由高饱和磁通密度的材料例如FeCo合金等形成。
由感应式写元件54通过磁头48在磁盘34中进行写入。即上磁极66和下磁极70之间的磁场泄漏，在与感应式写元件54相对的磁盘34中记录信息。
通过磁阻效应元件52将写入到磁盘34中的信息读出。即基于磁盘34中记录的信息，随着旋转阀门膜58的电阻变化检测磁场泄漏，由此读取记录在磁盘34中的信息。
如上所述，根据本实施例，根据第一实施例的磁阻效应元件被应用于磁记录装置的磁头，由此改善了磁头的输出和输出稳定性。由此能够提高磁记录装置的记录密度和产量。
[修改实施例]
本发明并不限于上述实施例，而能够覆盖其他各种变型。
例如，在上述第一实施例中，以铁磁层20a、非磁性层20b以及铁磁层20a的层结构形成锁定磁化层20，但是锁定磁化层20也可以由一层铁磁层形成。
在上述第一实施例中，第一基层14直接形成在下屏蔽层12上，但不必直接形成在下屏蔽层12上。一层、二层或更多的层可形成在下屏蔽层12和第一基层14之间。
在上述第一实施例中，第二基层16直接形成在第一基层14上，但也可以不直接形成在第一基层14上。一层、两层或更多的层可进一步形成在第一基层14和第二基层16之间，除非该层阻碍第二基层16的晶粒生长。
在上述第一实施例中，第二基层16形成在第一基层14和反铁磁层18之间，但是也可以不形成该层。第一基层14由非晶材料形成，由此下屏蔽层12的晶体结构不会被上层所反映。因此，在所需粒度的反铁磁层能够直接形成在第一基层14上的情形下，可以不形成第二基层16。
根据上述第一实施例的磁阻效应元件各层的材料不限于上述实施例中所描述的材料，而能够进行适当的变化。
在上述实施例中，根据本发明的磁阻效应元件被应用于磁记录装置的磁头，但也能够应用于其他装置。例如，包括作为存储单元的磁阻效应元件的MRAM(磁阻随机存取存储器)，与第一实施例的第一基层14相同的基层形成在旋转阀门膜之下，由此能够增加锁定磁化层的磁化锁定力，而与基材的晶体结构无关，从而能够改善存储单元的输出和输出稳定性。

Claims (12)

1.一种磁阻效应元件，其具有垂直平面电流结构，包括：
晶体材料的第一电极层；
导电非晶材料的第一基层，形成在该第一电极层之上；
晶体材料的反铁磁层，形成在该第一基层之上；
第一铁磁层，形成在该反铁磁层之上，并且具有由该反铁磁层所限定的磁化方向；
非磁性中间层，形成在该第一铁磁层之上；
第二铁磁层，形成在该非磁性中间层之上，具有随外界磁场改变的磁化方向；以及
第二电极层，形成在该第二铁磁层之上。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中：
形成该第一基层的非晶材料的电阻率小于等于200μΩ-cm。
3.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中：
该第一基层的膜厚小于等于10nm。
4.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中：
该第一基层的膜厚小于等于5nm。
5.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中：
形成该第一基层的非晶材料为软磁材料。
6.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中：
形成该第一基层的非晶材料为TiSi。
7.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中：
形成该第一基层的非晶材料为CoFeB或CoZrNb。
8.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中：
该第一铁磁层具有堆叠含铁结构。
9.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中进一步包括：
晶体材料的第二基层，其形成在该第一基层和该反铁磁层之间，并具有比形成该第一电极层的晶体材料的晶体粒径更大的粒径，
该反铁磁层具有反映该第二基层的晶体结构的晶体结构。
10.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中：
该第一电极层和该第二电极层由软磁材料形成，并起磁屏蔽的作用。
11.一种磁头，包括：
磁阻效应元件，该磁阻效应元件具有垂直平面电流结构，并且包括：
晶体材料的第一电极层；
导电非晶材料的第一基层，形成在该第一电极层之上；
晶体材料的反铁磁层，形成在该第一基层之上；
第一铁磁层，形成在该反铁磁层之上，并且具有由该反铁磁层所限定的磁化方向；
非磁性中间层，形成在该第一铁磁层之上；
第二铁磁层，形成在该非磁性中间层之上，具有随外界磁场改变的磁化方向；以及
第二电极层，形成在该第二铁磁层之上，
该磁阻效应元件基于由外界磁场引起的该第一电极层和该第二电极层之间的电阻值变化，检测外界磁场的方向。
12.一种磁记录装置，包括：
磁记录介质；
写元件，用于施加记录磁场到该磁记录介质，以记录磁信息；以及
磁阻效应元件，其具有垂直平面电流结构，并且基于电阻值变化检测记录在该磁记录介质中的磁信息，该磁阻效应元件包括：
晶体材料的第一电极层；
导电非晶材料的第一基层，形成在该第一电极层之上；
晶体材料的反铁磁层，形成在该第一基层之上；
第一铁磁层，形成在该反铁磁层之上，并且具有由该反铁磁层所限定的磁化方向；
非磁性中间层，形成在该第一铁磁层之上；
第二铁磁层，形成在该非磁性中间层之上，具有随外界磁场改变的磁化方向；以及
第二电极层，形成在该第二铁磁层之上。
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