CN101042874A - 磁阻效应元件、磁头、磁记录再生装置以及磁存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁阻效应元件、磁头、磁记录再生装置以及磁存储器，该磁阻效应元件具有磁化方向实质上固定的第1磁性层；磁化方向根据外部磁场变化的第2磁性层；设置在上述第1磁性层与上述第2磁性层之间的磁性隔离层；和相对于包含上述第1磁性层、磁性隔离层以及第2磁性层的叠层膜的膜面垂直地通过电流的电极，其中，当外部磁场为0时，在上述磁性隔离层中，在从接近上述第1磁性层的区域到接近上述第2磁性层的区域之间，自旋方向成为扭曲大约90°的状态。

Description

磁阻效应元件、磁头、磁记录再生装置以及磁存储器
本申请是申请号为“200510087903.9”、申请日为2005年7月29日、发明名称为“磁阻效应元件、磁头、磁记录再生装置以及磁存储器”的发明的分案申请。
技术领域
本发明涉及相对膜面以垂直方向通过电流的构造的磁阻效应元件以及使用了该元件的磁头、磁记录再生装置以及磁存储器。
背景技术
随着磁性体的叠层构造体中的巨磁阻效应(GMR)的发现，磁器件的性能正在飞速地提高。特别是，自旋阀膜(SV膜)由于具有能够容易地适用于磁器件的构造，能够有效地发挥GMR效应，因此给磁头以及MRAM(磁随机存取存储器)等磁器件带来了非常大的技术进步。
所谓“自旋阀膜”指的是一种叠层膜，具有把非磁性金属隔离层夹在2个强磁性层之间的构造，用反强磁性层等把一方的强磁性层(称为“被钉扎层”或者“磁化固定层”等)的磁化固定，使另一方的强磁性层(称为“自由层”或者“磁化自由层”等)的磁化根据外部磁场(例如介质磁场)进行旋转。在自旋阀膜中，通过被钉扎层与自由层的磁化方向的相对角度发生变化，可以得到巨大的电阻变化。
以往的自旋阀膜是相对膜面平行地通过读出电流的CIP(面内电流)-GMR元件。近年来，由于发现比CIP-GMR元件更大的GMR效应，因此以相对膜面大致垂直的方向通过读出电流的CPP(电流垂直于膜面)-GMR元件(以下，称为“CPP元件”)正在引起关注。
CPP元件在磁器件越来越细微的倾向下能够有利地适用。其中，使用了由非磁性金属构成的隔离层的CPP元件由于电阻变化量非常小，因此难以得到很大的再生输出信号。
另外，还提出了使用在绝缘层中形成由贯通该层的非磁性金属构成的微细电流通路(电流狭窄部)的隔离层的CPP元件。这种CPP元件显示出电流狭窄[CCP(限流路径)]效应，与使用了非磁性金属隔离层的单纯的CPP元件相比较能够得到更大的再生输出信号(以下，称为CCP-CPP元件)。然而，在考虑了与高记录密度相对应的磁头应用的情况下，即使是CCP-CPP元件也有可能其MR变化率不足。
作为实现能够与高记录密度相对应的巨大的MR变化率的构造，还提出了使用由金属磁性材料构成了氧化物层中的电流狭窄部的隔离层，并且利用BMR(弹道磁阻)效应的元件(以下，称为BMR元件)(例如，参照特开2003-204095号公报)。
但是，如果要在氧化物薄膜中形成达到弹道输运的微细构造，则可以预想各种各样的问题。例如，为了弹道输运必须把电流通道减小到小于等于1nm，这种情况下电阻非常高。如果设想高密度记录，则由于电阻的上升对于高频响应带来恶劣影响因此并不理想。虽然也考虑通过形成大量的微小的金属通道成为并联接触状态来减少电阻，然而在大于等于500Gbpsi的记录密度下，元件尺寸是一边小于等于60nm，因此在这种微小的元件区域中制作具有大量微小金属通道的构造极其困难。
发明内容
本发明提供一种磁阻效应元件，其特征在于，具有：磁化方向实质上固定的第1磁性层；磁化方向根据外部磁场变化的第2磁性层；设置在上述第1磁性层与上述第2磁性层之间的磁性隔离层；和相对于包含上述第1磁性层、磁性隔离层以及第2磁性层的叠层膜的膜面垂直地通过电流的电极，其中，当外部磁场为0时，在上述磁性隔离层中，在从接近上述第1磁性层的区域到接近上述第2磁性层的区域之间，自旋方向成为扭曲大约90°的状态。
本发明还提供一种磁阻效应元件，具有：磁化方向实质上固定的第1磁性层；磁化方向根据外部磁场变化的第2磁性层；设置在上述第1磁性层与上述第2磁性层之间、并且具有磁性氧化物和贯通该磁性氧化物的桥接部分的磁性隔离层，其中，上述磁性氧化物具有反强磁性自旋排列，上述桥接部分用金属磁性材料形成；和相对于包含上述第1磁性层、磁性隔离层以及第2磁性层的叠层膜的膜面垂直地通过电流的电极，其中，当外部磁场为0时，在上述磁性隔离层中，在从接近上述第1磁性层的区域到接近上述第2磁性层的区域之间，自旋方向成为扭曲大约90°的状态。
本发明还提供一种磁阻效应元件，具有：磁化方向实质上固定的第1磁性层；磁化方向根据外部磁场变化的第2磁性层；设置在上述第1磁性层与上述第2磁性层之间的磁性隔离层；使上述第2磁性层的磁化方向偏置的偏置层；和相对于包含上述第1磁性层、磁性隔离层以及第2磁性层的叠层膜的膜面垂直地通过电流的电极，其中，当外部磁场为0时，在上述磁性隔离层中，在从接近上述第1磁性层的区域到接近上述第2磁性层的区域之间，自旋方向成为扭曲大约90°的状态。
本发明一个形态的磁阻效应元件具有实质上固定了磁化方向的第1磁性层、与外部磁场相对应磁化方向发生变化的第2磁性层、设置在上述第1磁性层与上述第2磁性层之间的磁性隔离层、对于包括上述第1磁性层、磁性隔离层以及第2磁性层的叠层膜的膜面垂直地通过电流的电极，当外部磁场为0时，上述第1磁性层的磁化方向与上述第2磁性层的磁化方向大致正交。
本发明另一个形态的磁阻效应元件具有实质上磁化方向固定的第1磁性层、与外部磁场相对应磁化方向发生变化的第2磁性层、设置在上述第1磁性层与上述第2磁性层之间的具有以反强磁性自旋排列的磁性氧化物和由贯通该磁性氧化物的金属强磁性材料形成的桥接部分的磁性隔离层、对于包括上述第1磁性层、磁性隔离层以及第2磁性层的叠层膜的膜面垂直地通过电流的电极，当外部磁场为0时，上述第1磁性层的磁化方向与上述第2磁性层的磁化方向大致正交。
本发明另一个形态的磁阻效应元件具有实质上磁化方向固定的第1磁性层、与外部磁场相对应磁化方向发生变化的第2磁性层、设置在上述第1磁性层与上述第2磁性层之间的磁性隔离层、偏置上述第2磁性层的磁化方向的偏置层、对于包括上述第1磁性层、磁性隔离层以及第2磁性层的叠层膜的膜面垂直地通过电流的电极，当外部磁场为0时，上述第1磁性层的磁化方向与上述第2磁性层的磁化方向大致正交。
本发明的磁头具备上述的磁阻效应元件。本发明的磁记录再生装置具备磁记录介质和上述的磁头。本发明的磁存储器具备上述的磁阻效应元件。
附图说明
图1是表示本发明实施形态的磁阻效应元件的主要部分的斜视图。
图2A-2C表示图1的磁性隔离层中的自旋方向。
图3A-3C表示本发明一实施形态的磁阻效应元件的磁性隔离层中的自旋方向。
图4是表示本发明另一实施形态的磁阻效应元件的磁性隔离层的斜视图。
图5A-5C表示图4的磁性隔离层中的自旋方向。
图6是表示本发明又一个实施形态的磁阻效应元件的主要部分的斜视图。
图7A-7C表示图6的磁性隔离层中的自旋方向。
图8是表示本发明实施例1的磁阻效应元件的斜视图。
图9A以及9B是表示本发明实施例1的磁阻效应元件的磁性隔离层的剖面的透射型电子显微镜(TEM)照片。
图10是本发明实施形态的磁头的剖面图。
图11是本发明实施形态的磁头的剖面图。
图12是本发明实施形态的磁记录再生装置的斜视图。
图13是本发明实施形态的磁头组件的斜视图。
图14表示本发明实施形态的磁存储器的矩阵结构的一个例子。
图15表示本发明实施形态的磁存储器的矩阵结构的另一个例子。
图16是表示本发明实施形态的磁存储器的主要部分的剖面图。
图17是沿着图16的A-A’线的剖面图。
具体实施方式
关于以往的BMR元件，不明确根据BMR效果可以得到高MR变化率的物理原因，处于议论BMR效果的真伪的状况。本发明者们物理地考察了在经过具有由纳米级的磁性材料构成的电流狭窄部的隔离层结合了2个磁性层时产生巨大的MR变化率的现象的结果，得到弹道输运不是原因，而对于电流通道易于垂直地产生磁壁才是原因的结论。如果基于这样的原因，则发现为了得到高MR变化率，在隔离层的尽可能宽的区域中实现自旋扭曲的状态，在这样的区域中流过电流在本质上是重要的。而且，由于可以既不必考虑弹道输运也不必形成小于等于1nm的微小的磁性金属通道，因此能够抑制电阻上升。从而，如果能够在磁阻效应元件的隔离层中的宽阔区域中使自旋扭曲，则可以得到高MR变换率，可以期待与高密度化对应。但是，在磁阻效应元件的隔离层中的宽阔的区域中很难实现自旋扭曲的状态。本发明者们通过解决这一点，达到了本发明的磁阻效应元件。
图1是表示本发明实施形态的磁阻效应元件的主要部分的斜视图。该磁阻效应元件包括由反强磁性材料或者硬磁性材料形成的钉扎层1、被钉扎层(第1磁性层)2、磁性隔离层3、自由层(第2磁性层)4的叠层膜。通过钉扎层1使被钉扎层2的磁化方向实质上被固定。这里，所谓“实质上磁化方向固定”意味着即使加入可以检测程度的强度的外部磁场磁化方向也不发生变化。
参照图2A～图2C，说明图1的磁阻效应元件的磁性隔离层3中的自旋方向。
如图2A所示，当外部磁场为0时，在磁性隔离层3中，在从接近被钉扎层2的区域到接近自由层4的区域之间，自旋方向成为扭曲大约90°的状态。其结果，能够使自由层4的磁化方向对于被钉扎层2的磁化方向大致正交。
如果加入外部磁场，则如图2B以及图2C所示，磁性隔离层3中的磁化方向发生变化。例如，当加入了右朝向(+)的外部磁场时，如图2B所示，消除磁性隔离层3中的自旋的扭曲，由流过磁性隔离层3的电流产生的电阻降低。另一方面，当加入了左朝向(-)的外部磁场时，如图2C所示，成为磁性隔离层3中的自旋的扭曲增大的状态，被钉扎层2与自由层4的磁化排列成为反平行状态，由流过磁性隔离层3的电流产生的电阻升高。这样，由于能够根据外部磁场使磁性隔离层3中的自旋的扭曲发生变化，因此能够实现大MR变化率。
在本发明实施形态的磁阻效应元件的磁性隔离层中，图2所示那样的自旋的扭曲状态的结构大致划分可以举出三种。
(1)作为第1结构，可以举出用具有反强磁性自旋排列的磁性材料形成磁性隔离层3。
在把纳米级的FeCo系列磁性氧化物夹在2层磁性层之间形成叠层膜的情况下，如果使磁性氧化物形成时的氧暴露量增大，则可知上下磁性层之间的磁耦合为60°耦合、90°耦合那样发生扭曲(H.Fukuzawa et al.，J.Appl.Phys.91，6684(2002))。另外，该论文以磁化固定把氧化物层夹在中间的上下磁性层用作被钉扎层为前提。而即使在把磁性隔离层3夹在中间的上下磁性层中，把一方用作为根据外部磁场，磁化方向发生变化的自由层，把另一方用作为固定了磁化方向的被钉扎层的情况下，如果能够适宜地使用上述的现象，则也能够实现图2A所示那样的自旋扭曲。
如图3所示，在用具有反强磁性自旋排列的磁性材料形成的磁性隔离层3中，如果图3A所示那样具有反强磁性的自旋排列的区域与图3B所示那样具有强磁性的自旋排列的区域竞争，则作为两者的合成能够实现图3C所示那样的磁性隔离层3中的自旋的扭曲。这里，作为产生具有反强磁性的自旋排列的区域和具有强磁性的自旋排列的区域的原因，可以举出原子层水平的凹凸不平。更具体地讲，具有偶数原子层数的区域成为具有反强磁性的自旋排列的区域，具有奇数原子层数的区域成为具有强磁性的自旋排列的区域。这种情况下，当反强磁性耦合成分与强制性耦合成分相等时，如图3C所示，自由层的磁化方向对于被钉扎层的磁化方向扭曲90°。在强磁性耦合成分大于反强磁性耦合成分的情况下，自旋扭曲的角度例如能够调整为60°或者30°。
(2)作为第2结构，如图4所示，可以举出使用具有反强磁性自旋排列的磁性氧化物6和用贯通该磁性氧化物6的金属强磁性材料形成的桥接部分7的磁性隔离层5。
在能够不产生膜厚的凹凸不平而完全平坦地形成磁性隔离层的情况下，磁性隔离层的磁耦合根据原子层数决定是强磁性层耦合还是反强磁性耦合，不产生图3A以及B那样的强磁性与反强磁性的竞争。
因此，在图4所示的磁性隔离层5中，在磁性氧化物6中使用反强磁性材料，没有凹凸不平地形成为其膜厚成为偶数原子层，同时，形成用贯通磁性氧化物6的金属强磁性材料形成了的桥接部分7。
在该磁性隔离层5中，磁性氧化物6产生出图5A所示那样的反强磁性耦合成分，桥接部分7产生出图5B所示那样的强磁性耦合成分。从而，通过适宜地调整桥接部分7的大小以及个数(密度)，能够产生图5C所示那样的自旋扭曲。
(3)作为第3结构，如图6所示，可以举出使用钉扎层1、被钉扎层(第1磁性层)2、磁性隔离层8、自由层(第2磁性层)4、偏置层9的叠层膜。
在该结构中，用强磁性材料形成磁性隔离层8，在磁性隔离层8中形成强磁性的自旋排列。但是，由于原本自由层4的磁化方向与被钉扎层2的磁化方向相同，因此设置偏置层9使得自由层4的磁化方向对于被钉扎层2的磁化方向大致正交。这样，在被钉扎层2、磁性隔离层8以及自由层4中全部使用强磁性材料，能够产生自旋的扭曲，当外部磁场为0时，能够使自由层4的磁化方向对于被钉扎层2的磁化方向大致正交(图7A图示)。另外，自由层4的偏置磁场需要比固定被钉扎层2的磁化的钉扎磁场弱。这是因为如果不满足该条件，则当施加了外部磁场时，不产生自由层4的磁化旋转。
当施加了右朝向(+)的外部磁场时，如图7B所示，消除了磁性隔离层8中的自旋的扭曲，由流过磁性隔离层8的电流产生的电阻降低。另一方面，当施加了左朝向(-)的外部磁场时，如图7C所示，成为磁性隔离层8中的自旋的扭曲增大的状态，被钉扎层2与自由层4的磁化排列成为反平行状态，由流过磁性隔离层8的电流产生的电阻升高。这样，由于能够根据外部磁场使磁性隔离层8中的自旋的扭曲发生变化，因此能够实现大的MR变化率。
根据以上那样的(1)～(3)的结构，在垂直通电型的磁阻效应元件中，在被钉扎层与自由层之间的磁性隔离层中发生自旋的扭曲，使得当施加了外部磁场时，磁性隔离层中的自旋的扭曲状态发生变化，根据通过磁性隔离层的电流能够实现充分高的MR变化率。进而，通过使用具有这种高MR变化率的磁阻效应元件，能够提供可以与高记录密度相对应的磁头以及磁记录再生装置或者磁存储器。
另外，在上述的(1)～(3)的结构中，在(1)以及(2)的结构中，还具有有时不需要用于把自由层单磁畴化的偏置构造这样的优点。即，在(1)以及(2)的结构中，通过把磁性隔离层夹在中间的被钉扎层与自由层的弱磁耦合能够实现自偏置机构。从而，在把本发明的磁阻效应元件适用于磁头或者磁存储器中的情况下器件构造非常简单，能够避免电流向硬偏置膜漏泄的问题或者由于使用instack偏置构造那样的复杂构造引起的成本上升。在MRAM的情况下，由于即使不使用多余的偏置构造也能够进行自由层的单磁畴化，因此能够高密度地排列磁阻效应元件，实现MRAM的高密度。
实施例1
图8中表示如上述(1)那样使用了在磁性隔离层中具有反强磁性自旋排列的磁性材料的垂直通电型的磁阻效应元件的一个例子。图8的磁阻效应元件具有顺序叠层了下电极11、缓冲层B、钉扎层1、被钉扎层2(包括第1磁性层2a、Ru层2b、第2磁性层2c)、磁性隔离层3、自由层4、盖层C、上电极12的构造。
图8中，磁阻效应元件的宽度W相当于磁道宽度，随着记录密度的提高而减小。在把本发明实施形态的磁阻效应元件适用于磁头中的情况下，在400Gbpsi～几Tbpsi级的记录密度中，磁道宽度为70nm～10nm，非常小。即使在这样的磁道宽度下，也需要可以取得输出电压那样的高灵敏度的磁阻效应元件。磁阻效应元件的深度h由于需要与磁道宽度大致相同或者比其小的值，因此为70nm～5nm，非常小。
被钉扎层2与自由层4通过磁性隔离层3实现磁耦合。磁耦合的角度典型的是90°。除去90°以外也能够是30°或者60°这样的角度，而在大致90°的角度的情况下，当施加了正的介质磁场、负的介质磁场时，由于电阻变化的对称性良好因此非常理想。
其次，说明在本实施例的磁阻效应元件中使用的材料。
(i)下电极由Cu、Au、Cr、Ta等形成。
(ii)缓冲层(基底层)由下述的材料形成。
从由Ti、Ta、W、Cr、Mo、Nb、V、Zr、Hf构成的组中选择出的金属或者含有这些金属的合金[厚度大于等于3nm小于等于10nm]，
Ta[3～5nm]/Ru[2nm]，
NiFeCr[3～5nm]，
Ta[3nm]/NiFeCr[3～5nm]，
Ta[3nm]/NiFe[3～5nm]。
(iii)钉扎层由下述材料形成。
IrMn、PtMn、PdPtMn等反强磁性层，
CoPt、CoPrCr、FePt等硬层。
(iv)被钉扎层由下述的材料形成。
Co-Fe、Ni-Fe、Ni-Co、Fe-Co-Ni、含有Co的合金、含有Ni的合金、含有Fe的合金或者Co、Fe、Ni等单金属，
(FeCo/Cu)×n周期，
(CoNi/Cu)×n周期，
(NiFe/Cu)×n周期，
(FeCoNi/Cu)×n周期。
另外，也可以把添加元素添加到以上的磁性材料中。作为添加元素可以举出Cu、Cr、Ti、V、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Pt等。特别是，在FeCo中添加了Cu的FeCoCu合金由于增加磁性层内的作为依赖于自旋的散射效果的体散射效果，因此很理想。非磁性添加元素的浓度最好是大于等于1原子％小于等于50原子％，更理想的是大于等于2原子％小于等于20原子％。另外，也可以使用把这些金属材料氮化后的材料。
被钉扎层虽然可以由单层构成，但是为了防止来自被钉扎层的漏泄磁场的影响，最好是能够使实质的净磁力矩为0的合成被钉扎层。图8的被钉扎层2例如是由CoFe[3nm]/Ru[1nm]/CoFe[3nm]构成的合成被钉扎层。
(v)图8中的磁性隔离层3具有反强磁性自旋排列，由下述的材料形成。
反强磁性氧化物：包括α-Fe2O3的氧化物、包括NiO的氧化物，包括Co3O4的氧化物。
尖晶石氧化物：MFe2O4(M＝Fe、Co、Ni、Cu、Mn、Cr、V、Zn等)、γ-Fe3O4。
具有反强磁性的自旋排列的金属材料：Mn、Cr、V的单体金属或者含有Mn、Cr、V(至少大于等于10原子％)的合金；IrMn、PrMn、PdPtMn、CrMn、NiMn、RuRhMn、RuMn等(这些材料的情况下，Mn的成分大于等于30原子％)。在这些材料中也可以添加Fe、Co、Ni、Cu、Cr、Ti、V、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Si等添加元素。
为了在磁性隔离层中产生反强磁性耦合与强磁性耦合的竞争，需要存在磁性隔离层的凹凸不平。为此，如图3所示，在磁性隔离层中需要存在具有偶数原子层数的区域以及奇数原子层数的区域这两种区域。
图9是表示用FeCo氧化物形成的磁性隔离层的剖面的透射型电子显微镜(TEM)照片。图9A中，对比度高的区域是用氧化物层形成的磁性隔离层。如图9B的放大图所示，可知存在形成磁性隔离层的原子层数是10层(偶数层)的区域和11层(奇数层)的区域。通过这样的偶数层与奇数层的组合，根据图3所示的原理，能够实现磁性隔离层内的自旋的扭曲构造以及把磁性隔离层夹在中间的上下磁性层的90°耦合。
用金属反强磁性材料形成了磁性隔离层的情况下，也与图9相同，能够识别磁性隔离层与被钉扎层、自由层。在金属层的情况下，由于剖面TEM照片中的对比度差不如氧化物那样明确，因此识别多少有些困难。然而，在用IrMn、PtMn等金属反强磁性材料形成磁性隔离层，用fcc-CoFe、fcc-NiFe、bcc-FeCo等形成被钉扎层、自由层的情况下，由于IrMn和PtMn等具有大的晶格常数，因此能够进行识别。
另外，在使用了包括Mn、Cr、V等的金属磁性隔离层的情况下，通过并用毫微EDX分析，能够大致识别金属磁性隔离层的位置，计算该位置中的晶格常数，根据晶格常数变化的位置决定磁性隔离层与被钉扎层或者自由层的界面。
(vi)自由层由下述材料形成。
Co-Fe、Ni-Fe、Ni-Co、Fe-Co-Ni、含有Co的合金、含有Ni的合金、含有Fe的合金，
(FeCo/Cu)×n周期，
(CoNi/Cu)×n周期，
(NiFe/Cu)×n周期，
(FeCoNi/Cu)×n周期。
也可以使用CoFe[1nm]/NiFe[3nm]那样的叠层膜。另外，也可以把添加元素添加到以上的磁性材料中。作为添加元素可以举出Cu、Cr、Ti、V、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Pt等。
(vii)盖层由下述的材料形成。
Cu[0～10nm]/Ta[1～5nm]
Cu[0～10nm]/Ru[1～10nm]。
(viii)上电极与下电极相同，用Cu、Au、Cr、Ta等形成。
在本实施例的磁阻效应元件中，当外部磁场为0时，在磁性隔离层中存在自旋的扭曲，排列成使得自由层的磁化方向与被钉扎层的磁化方向大致正交。因此，并不一定需要设置用于把自由层单磁畴化的偏置构造。
具有本实施例的磁性隔离层的磁阻效应元件在AR(面积电阻)为50～3000mΩμm2的范围内，能够实现20～1000％的高MR变化率。在用以Cr、Mn、V为基底的金属反强磁性材料形成了磁性隔离层的情况下，由于象使用磁性氧化物层的情况那样，没有面积电阻的上升，因此能够以非常低的电阻得到高MR。在用金属反强磁性材料形成的隔离层的情况下，膜厚范围最好大于等于1nm小于等于10nm，更理想的是大于等于1nm小于等于5nm。另一方面，在用磁性氧化物层形成了磁性隔离层的情况下，由于面积电阻AR易于升高，因此不能够使膜厚过厚。为了实现低电阻化，最好使磁性氧化物层的厚度减薄到大于等于0.5nm小于等于4nm。另外，由于在磁性氧化物中以金属的状态残留金属添加元素，因此对降低电阻也是有效的。例如，在磁性氧化物层中通过以金属状态混入Fe、Co、Ni、Cu、Cr、Ti、V、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Si等添加元素，能够实现低电阻化。由于Fe、Co、Ni等在维持氧化物的磁性不变的状态下能够降低电阻，因此很理想。进而，由于与Fe和Ni等相比，Co难以氧化，在金属状态下易于残留，因此很理想。
下面说明图8所示的磁阻效应元件的具体例子。膜结构如下。
下电极：Cu
缓冲层：Ta[5nm]/NiFeCr[5nm]
钉扎层：PtMn[15nm]
被钉扎层：CoFe[3nm]/Ru[1nm]/CoFe[3nm]
磁性隔离层：IrMn[2nm]
自由层：CoFe[1nm]/NiFe[3nm]
盖层：Cu[1nm]/Ru[5nm]
上电极：Cu。
下面说明该磁阻效应元件的制造方法。在基底上成膜Cu，构图形成下电极。把该基板装入到DC磁控管溅射装置中。在成膜室中，在同一真空下统一成膜从缓冲层的Ta到盖层的Ru。被钉扎层的CoFe是fcc(111)取向且取向的分散角度为5°以内的良好的取向膜。另外，代替夹在合成被钉扎层的Ru与磁性隔离层之间的CoFe，也可以使用具有bcc构造的Fe或者FeCo。在bcc构造的情况下，是bcc(110)取向且取向的分散角度为5°以内的良好的取向膜。作为磁性隔离层的IrMn是fcc(111)取向且取向的分散角度为5°以内。磁性隔离层的IrMn的膜厚是2nm，而该膜厚根据所需要的被钉扎层与自由层的磁耦合的强度，也可以在大约1nm到3nm的范围内变化。在该IrMn的膜厚中存在与图9相同的起伏，通过存在原子层数为偶数的区域和为奇数的区域，把磁性隔离层夹在中间的上下被钉扎层以及自由层的磁耦合成为大约90°。
成膜以后，在10kOe的磁场中，以290℃进行4小时热处理。通过该热处理，能够实现用于固定被钉扎层的PtMn的规则化以及各磁性层的良好的晶体取向性。热处理后，通过光刻，把磁阻效应元件加工成一条边为100nm～30nm的宽度。然后，形成上电极。本实施例的磁阻效应元件在面积电阻AR小于等于50～500mΩμm2下，表现出大于等于10％的高MR变化率。
实施例2
下面说明如上述(2)那样使用了具有以反强磁性自旋排列的磁性氧化物和用贯通该磁性氧化物的金属强磁性材料形成的桥接部分的磁性隔离层的垂直通电型的磁阻效应元件的例子。在该例子中，除去磁性隔离层以外，与图8的磁阻效应元件相同。
磁性隔离层具有以反强磁性自旋排列的磁性氧化物和用贯通该磁性氧化物的金属强磁性材料形成的桥接部分。磁性隔离层中的自旋排列在磁性氧化物的所有区域中产生反强磁性耦合成分，通过金属强磁性桥接产生强磁性耦合成分。产生强磁性耦合的桥接部分最好是在金属隔离层的膜面内的直径大于等于0.5nm小于等于10nm。其理由如下。即，如果桥接部分的直径超过10nm，则与自旋交换耦合长度相比较过大，形成磁畴。这种情况下，经过氧化物层的上下磁性层的磁耦合是反强磁性耦合，经过桥接部分的上下磁性层的磁耦合成为强磁性耦合，得不到两者之和。反之，如果小于0.5nm，则金属强磁性桥接部分的存在于膜面内的金属磁性元件的个数不过是2～3个，不能够带来上下磁性层的很强的强磁性耦合成分。
根据金属强磁性桥接部分的直径以及密度，上下磁性层的磁耦合的大小也发生变化，MR变化率的值也发生变化。磁性隔离层的膜面内的桥接部分的密度(面积比例)最好是大约大于等于1％小于等于30％，更理想的是大于等于3％小于等于20％。
在本实施例中，为了得到经过磁性隔离层的良好的磁耦合，被钉扎层或者自由层的晶体构造最好是在fcc构造的情况下具有fcc(111)取向性，在bcc构造的情况下最好具有bcc(110)取向性，在hcp构造的情况下最好具有hcp(001)取向性或者hcp(110)取向性。
晶体取向性最好是取向的分散角度在4.0°以内，更理想的是在3.5°以内，最理想的是在3.0°以内。这是例如能够测定为在X射线衍射下通过θ-2θ测定得到的峰值位置下的摆动曲线的半高宽的值。在磁头中，能够检测为剖面的毫微衍射斑点的分散角度。
由含有桥接部分的磁性氧化物构成的磁性隔离层能够通过以下的方法形成。例如，能够使用在通过溅射、MBE、CVD、蒸镀等成膜应该成为桥接部分的金属材料和应该成为磁性氧化物的金属材料以后，实施氧化处理，把应该成为磁性氧化物的金属材料氧化的方法。作为氧化方法，能够使用自然氧化、原子团氧化、离子束氧化、RF等离子体氧化等。在氧化处理时为了提高氧化活性，也可以进行UV照射或者基板加热。为了控制性良好地形成具有出色的晶体构造的磁性氧化物层，进行离子束氧化、RF等离子体氧化最理想。在进行离子束氧化的情况下，可以把氧气导入到离子源中，或者把氧气直接导入到氧化室中。离子束的加速能量最好设定为30～100V。
本实施例的磁阻效应元件在60～1000mΩμm2的低AR下，也能够实现20～1000％的高MR变化率。在把本实施例的磁阻效应元件适用于磁头中的情况下，把相当于磁道宽度的宽度W加工成小于等于0.1μm，进而为了与高记录密度相对应，精细加工到小于等于50nm。关于深度h也加工到大致与W相同的尺寸。在把本实施例的磁阻效应元件适用于MRAM中的情况下，能够使用比磁头时大的尺寸，可以把W或者h加工为小于等于1μm。通常不用设置偏置构造，通过在自旋阀膜的形状上下功夫，加入单轴各向异性，能够进行开关动作。
实施例3
下面说明如上述(3)那样使用钉扎层、被钉扎层、磁性隔离层、自由层、偏置层的叠层膜的垂直通电型的磁阻效应元件的例子。
作为在该例子中使用的偏置层，可以举出硬层或者反强磁性层等。例如，在自由层上以大于等于3nm小于等于20nm的厚度叠层Co、CoPt、CoCrPt等包含大于等于50％的Co的硬膜。另外，在自由层上叠层IrMn[3～20nm]、PtMn[5～20nm]、PdPtMn[5～20nm]、RuMn[3～20nm]、RuRhMn[3～20nm]等来利用交换耦合偏置。
磁性隔离层为了发生自旋的扭曲而用磁性材料形成。具体地讲，能够使用Co、Fe、Ni、Cr、Mn或者含有它们的合金层等。在图3中，即使没有偏置层，通过磁性隔离层与上下磁性层的磁耦合作用也自发地产生自旋的扭曲，相对被钉扎层的磁化方向正交地排列了自由层的磁化方向。而在自发的自旋扭曲不充分时通过偏置层辅助的情况下，或者在由偏置层产生的偏置稳定的情况下，使用本实施例的结构。
其次，说明本发明实施形态的磁阻效应元件的应用。
图10以及图11表示把本发明实施形态的磁阻效应元件组装到磁头中的状态。图10是相对与磁记录介质(未图示)相对的介质对向面以大致平行的方向切断了磁阻效应元件的剖面图。图11是对于介质对向面P以垂直的方向切断了该磁阻效应元件的剖面图。
图10以及图11例示的磁头具有所谓的硬接连(hard abutted)构造。磁阻效应膜10例如具有图1所示的构造。在磁阻效应膜10的上下分别设置下电极11和下电极12。图10中，在磁阻效应膜10的两个侧面，叠层设置偏置磁场施加膜13和绝缘膜14。如图11所示，在磁阻效应膜10的介质对向面上设置保护层15。
对于磁阻效应膜10的输出电流通过配置在其上下的电极11、12，如用箭头A所示那样，相对膜面以大致垂直方向通电。另外，通过设置在左右的一对偏置磁场施加膜13、13，在磁阻效应膜10上施加偏置磁场。根据该偏置磁场，通过控制磁阻效应膜10的自由层的磁各向异性进行单磁畴化，其磁畴构造稳定，能够抑制伴随着磁壁移动的巴克豪森噪声。
如果依据本发明，则由于提高了磁阻效应膜的MR变化率，因此在用于磁头中的情况下能够进行高灵敏度的磁再生。
图10以及图11所示的磁头能够组装到记录再生一体型的磁头组件内，搭载在磁头记录再生装置中。
图12是例示这种磁记录再生装置的概略结构的主要部分斜视图。即，本发明的磁记录再生装置150是使用了旋转致动器形式的装置。该图中，磁盘200装入到主轴152上，由响应来自未图示的驱动装置控制单元的控制信号的未图示的马达以箭头A的方向旋转。本发明的磁记录再生装置10可以装备多个磁盘200。
进行保存在磁盘200中的信息的记录再生的磁头滑块153安装在悬臂154的顶端。磁头滑块153在其顶端附近搭载包括上述任一项实施形态的磁阻效应元件的磁头。
如果磁盘200旋转，则从磁盘200的表面以预定的上浮量保持磁头滑块153的介质对向面(ABS)。或者，也可以是磁头滑块与磁盘200接触的所谓“接触行走型”。
悬臂154连接致动臂155的一端。致动臂155的另一端上设置作为线性马达的一种的音圈马达156。音圈马达156由缠绕在致动臂155的另一端的线圈架部分上的未图示的驱动线圈和夹持该线圈而相对配置的永久磁铁以及对向轭铁组成的磁路构成。
致动臂155由设置在枢轴157的上下两个位置的未图示的滚珠轴承保持，通过音圈马达156能够自由地旋转滑动。
图13是从磁盘侧观看致动臂155前面的磁头组件的放大斜视图。即，磁头组件160具有致动臂155，在致动臂155的一端连接有悬臂154。
在悬臂154的顶端设置具备包括上述任一项实施形态的磁阻效应元件的磁头的磁头滑块153。悬臂154具有信号的写入以及读取用的读出线164，该读出线164与组装到磁头滑块153中的磁头的各电极电连接。图中，165是磁头组件160的电极焊盘。
如果依据本发明，则通过具备包括上述本发明实施形态的磁阻效应元件的磁头，能够可靠地读取以比以往高的记录密度在磁盘200上被磁性记录的信息。
其次，说服搭载了本发明实施形态的磁阻效应元件的磁存储器。即，使用本发明实施形态的磁阻效应元件，能够实现例如矩阵形地配置了存储单元的随机存取磁存储器等磁存储器。
图14表示本发明实施形态的磁存储器的矩阵结构的一个例子。该图表示矩阵形地配置了存储单元时的电路结构。为了选择阵列中的1比特，具备列译码器350和行译码器351，通过位线334和字线332，开关晶体管330导通，唯一地进行选择，通过用读出放大器352检测，能够读出记录在磁阻效应元件10中的磁记录层(自由层)中的比特信息。当写入比特信息时，在特定的写入字线323和位线322上流过写入电流来施加产生的磁场。
图15表示本发明实施形态的磁存储器的矩阵结构的另一个例子。这种情况下，分别由译码器360、361选择矩阵形布线的位线322和字线334。各个存储单元具有串联连接了磁阻效应元件10与二极管D的构造。这里，二极管D具有在所选择的磁阻效应元件10以外的存储单元中防止读出电流回流的作用。写入根据由在特定的位线322和写入字线323中分别流过的写入电流产生的磁场进行。
图16是表示本发明实施形态的磁存储器的主要部分的剖面图。图17是沿着图16的A-A’线的剖面图。这些图所示的构造与包含在图14或图15所示的磁存储器中的1比特部分的存储单元相对应。该存储单元具有存储元件部分311和地址选择用晶体管部分312。
存储元件部分311具有磁阻效应元件10和与其连接的一对布线322、324。磁阻效应元件10是上述实施形态的磁阻效应元件。
另外，在选择用晶体管部分312中，设置经过通孔326以及埋入布线328连接的晶体管330。该晶体管330与施加到栅极332的电压相对应进行开关动作，控制磁阻效应元件10与布线334的电流路径的开闭。
另外，在磁阻效应元件10的下方，以与布线322大致正交的方向设置写入布线323。这些写入布线322、323例如能够用铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钽(Ta)或者含有它们的合金形成。
在这种结构的存储单元中，当把比特信息写入到磁阻效应元件10中时，通过在布线322、323中流过写入脉冲电流，施加由这些电流感应的合成磁场，适宜地使磁阻效应元件的记录层的磁化反转。
另外，当读出比特信息时，通过布线322、包括磁记录层的磁阻效应元件10和下电极324流过读出电流，测定磁阻效应元件10的电阻值或电阻值的变化。
本发明实施形态的磁存储器通过使用上述实施形态的磁阻效应元件，即便使单元尺寸微细，也能够可靠地控制记录层的磁畴，能够确保可靠的写入，而且，还能够可靠地进行读出。
以上，参照具体例子说明了本发明的实施形态。而本发明不限定这些具体例子。例如，关于磁阻效应膜的具体构造或者此外的电极、偏置施加膜、绝缘膜等的形状或者材料，从业人员通过从众所周知的范围适宜地选择，同样地实施本发明，也能够得到同样的效果。
例如，在把磁阻效应元件适用于再生用磁头时，通过在元件的上下提供磁屏蔽，能够限定磁头的检测分解度。
另外，本发明不仅对于长边磁记录方式，对于垂直磁记录方式的磁头或者磁记录再生装置同样适用，也能够得到同样的效果。
进而，本发明的磁记录再生装置既可以是始终具备特定记录介质的固定模式，也可以是能够替换记录介质的所谓“可拆卸”方式。
除此以外，作为本发明的实施形态，根据上述磁头以及磁存储再生装置，从业人员能够适宜设计变更实施的所有的磁阻效应元件、磁头、磁记录再生装置以及磁存储器也同样属于本发明的范围。

Claims (16)

1.一种磁阻效应元件，其特征在于，具有：
磁化方向实质上固定的第1磁性层；
磁化方向根据外部磁场变化的第2磁性层；
设置在上述第1磁性层与上述第2磁性层之间的磁性隔离层；和
相对于包含上述第1磁性层、磁性隔离层以及第2磁性层的叠层膜的膜面垂直地通过电流的电极，
其中，当外部磁场为0时，在上述磁性隔离层中，在从接近上述第1磁性层的区域到接近上述第2磁性层的区域之间，自旋方向成为扭曲大约90°的状态。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：
上述磁性隔离层用具有反强磁性自旋排列的磁性材料形成。
3.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：
上述磁性隔离层用从由α-Fe2O3、γ-Fe2O3以及尖晶石MFe2O4构成的组中选择出的磁性氧化物材料形成，其中M是Fe、Co、Ni、Cu、Mn、Zn、Cr、V中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：
上述磁性隔离层的膜厚大于等于0.5nm小于等于4nm。
5.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：
上述磁性隔离层由用XMny表示的金属反强磁性材料形成，其中X是Ir、Pt、Pd、Ru、Cr、Rh、Re中的任意一种，y≥30原子％。
6.根据权利要求5所述的磁阻效应元件，其特征在于：
用上述金属反强磁性材料形成的磁性隔离层的膜厚大于等于1nm小于等于10nm。
7.一种磁阻效应元件，具有：
磁化方向实质上固定的第1磁性层；
磁化方向根据外部磁场变化的第2磁性层；
设置在上述第1磁性层与上述第2磁性层之间、并且具有磁性氧化物和贯通该磁性氧化物的桥接部分的磁性隔离层，其中，上述磁性氧化物具有反强磁性自旋排列，上述桥接部分用金属磁性材料形成；和
相对于包含上述第1磁性层、磁性隔离层以及第2磁性层的叠层膜的膜面垂直地通过电流的电极，
其中，当外部磁场为0时，在上述磁性隔离层中，在从接近上述第1磁性层的区域到接近上述第2磁性层的区域之间，自旋方向成为扭曲大约90°的状态。
8.根据权利要求7所述的磁阻效应元件，其特征在于：
上述磁性隔离层的磁性氧化物用从由α-Fe2O3、γ-Fe2O3以及尖晶石MFe2O4构成的组中选择出的磁性氧化物材料形成，其中M是Fe、Co、Ni、Cu、Mn、Zn、Cr、V中的任意一种，上述桥接部分由包含从由Fe、Co以及Ni构成的组中选择出的至少一种元素的金属磁性材料形成。
9.根据权利要求7所述的磁阻效应元件，其特征在于：
上述磁性隔离层的膜厚大于等于0.5nm小于等于4nm。
10.根据权利要求7所述的磁阻效应元件，其特征在于：
上述桥接部分在上述磁性隔离层的膜面内的直径大于等于0.5nm小于等于10nm。
11.根据权利要求7所述的磁阻效应元件，其特征在于：
上述桥接部分在上述磁性隔离层的膜面内的面积比例大于等于1％小于等于30％。
12.一种磁阻效应元件，具有：
磁化方向实质上固定的第1磁性层；
磁化方向根据外部磁场变化的第2磁性层；
设置在上述第1磁性层与上述第2磁性层之间的磁性隔离层；
使上述第2磁性层的磁化方向偏置的偏置层；和
相对于包含上述第1磁性层、磁性隔离层以及第2磁性层的叠层膜的膜面垂直地通过电流的电极，
其中，当外部磁场为0时，在上述磁性隔离层中，在从接近上述第1磁性层的区域到接近上述第2磁性层的区域之间，自旋方向成为扭曲大约90°的状态。
13.根据权利要求12所述的磁阻效应元件，其特征在于：
上述偏置层用从由Co、CoPt、CoCrPt、IrMn、PtMn、PdPtMn、RuMn以及RuRhMn构成的组中选择出的材料形成。
14.一种磁头，具备：
权利要求1的磁阻效应元件。
15.一种磁记录再生装置，具备：
磁记录介质和权利要求14的磁头。
16.一种磁存储器，具备：
权利要求1的磁阻效应元件。
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