CN101101756A - 磁阻效应元件,磁头,磁记录/再现装置和磁存储器 - Google Patents

磁阻效应元件,磁头,磁记录/再现装置和磁存储器 Download PDF

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CN101101756A CNA2007101278758A CN200710127875A CN101101756A CN 101101756 A CN101101756 A CN 101101756A CN A2007101278758 A CNA2007101278758 A CN A2007101278758A CN 200710127875 A CN200710127875 A CN 200710127875A CN 101101756 A CN101101756 A CN 101101756A
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高岸雅幸
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Abstract

CPP型磁阻效应元件包括具有固定磁化层，自由磁化层和非磁性中间层的磁阻效应薄膜；和构造成在偏置磁场平行于磁阻效应薄膜的主要表面并且垂直于固定磁化层的磁化的情况下向自由磁化层施加垂直偏置磁场的垂直偏置机构。然后，当平行于垂直偏置磁场的宽度被定义为MRT，正交于垂直偏置磁场并且平行于信号磁场的宽度被定义为MRH时，磁阻效应元件满足关系式1.2≤MRH/MRT。

Description

磁阻效应元件，磁头，磁记录/再现装置和磁存储器
相关发明的交叉引用
[0001]本申请基于2006年7月7日提交的2006-188709号日本专利申请并要求对于该申请的优先权利益；该专利申请的全部内容通过引用而结合在本文中。
技术领域
[0002]本发明分别涉及构造成使电流在垂直于其薄膜表面的方向流动的磁阻效应元件，包括所述磁阻效应元件的磁头，磁记录/再现装置和磁存储器。
背景技术
[0003]具有表现GMR(Giant Magneto-resistive(巨磁阻))效应的GMR元件的GMR磁头在从诸如硬盘的磁记录/再现装置的磁记录媒介再现所需要的信息中被广泛使用。
[0004]GRM元件可以以自旋阀型磁阻效应元件为例，其中，具有其磁化在一个方向基本固定的磁性薄膜的固定磁化层，中间层和具有对外磁场(例如来自磁记录媒介的信号磁场，磁化通常被设定为平行或反平行于固定磁化层的磁化)敏感(可旋转)的磁性薄膜的自由磁化层被按顺序堆叠。固定磁化层的磁化由反铁磁性薄膜或类似物固定。
[0005]为了避免Barkhausen噪声，垂直偏置机构(例如最好由Cobalt-Platinum合金或Cobalt-Chromium-Platinum合金制作的磁畴控制薄膜)被应用于GRM元件，这样，垂直偏置磁场被施加于GRM元件的自由磁化层。在这种情形下，所施加的垂直偏置磁场也几乎平行于磁阻效应薄膜的主要表面，因而垂直于固定磁化层的磁化。因此，在没有信号磁场的条件下，固定磁化层的磁化方向几乎垂直于自由磁化层的磁化方向。
[0006]GMR效应产生于固定磁化层和自由磁化层的磁化之间的相对角变化。
[0007]CIP(CurrentIn Plane(平面电流))-GRM元件被构造成使所希望的磁阻效应可以分别由与元件的层叠结构平行地流动的传感电流探测到。
[0008]最近，采用TME元件的TMR(Tunnel Magneto-resistive(隧道磁阻))磁头得到研究和开发，其中，中间层由诸如氧化铝的绝缘体制作，传感电流的流动方向分别垂直于TMR元件的层叠结构以检测其磁阻效应，以便增大其记录密度。这样的TMR磁头可以增强磁阻效应。但是，因为中间层由绝缘体制造，因此它也会增强前置放大器噪声和电流流经绝缘体的装置固有的散粒噪声。
[0009]CPP(电流垂直于平面)-GMR元件也得到研究和开发，其中，传感电流的流动方向垂直于元件的层叠结构的主要表面以检测其磁阻效应。CPP-GRM元件可以实现比CIP-GRM元件更高的记录密度，因为与CIP-GRM元件相比，即使磁轨的宽度变窄，CPP-GRM元件仍可以产生更高的再现信号。
[0010]就CIP-GRM元件而言，因为传感电流沿元件的层叠结构的主要表面流动，代表磁阻效应的一部分因为记录磁轨宽度的变窄而变窄，所以阻抗变化量ΔR减小。相反，就CPP-GRM元件而言，因为传感电流的方向垂直于元件的层叠结构的堆叠方向，因此即使磁轨的宽度变窄阻抗变化量ΔR也不完全减小。还有，就CPP-GRM元件而言，因为绝缘物没有像在TMR元件中那样被用作电导体，因此元件的阻抗与TMR元件相比也能够降低。
[0011]另一方面，随着最近对高密度记录的要求，GMR元件在磁轨宽度的方向和高度的方向的尺寸都在缩减。在这样尺寸缩减的CPP-GMR元件中，可能发生一种被称为电流诱发的磁化反转(自旋转移)的现象。
[0012]在电流诱发的磁化反转中，当传感电流从自由磁化层流向固定磁化层时，使自由磁化层的磁化方向几乎平行于固定磁化层的磁化方向。另一方面，自由磁化层的磁化方向基本上发生变化，这样当传感电流从固定磁化层流向自由磁化层时，使固定磁化层的磁化方向几乎反平行于自由磁化层的磁化方向。结果，在电流诱发的磁化反转中，自由磁化的磁响应，也就是CPP-GMR元件的阻抗变化量ΔR可能下降或缩减。
[0013]电流诱发的磁化反转在磁轨的高度和宽度为100nm或更小的元件中可能频繁地发生，其中，磁性层中的磁畴可能是单畴，这样边缘磁畴的缺点就可以减小。在最近的磁记录装置和磁再现装置中，磁轨的宽度和高度被要求设定到100nm或以下。因此，就高密度记录来说，要求制造电流诱发的磁化反转减小的CPP-GMR元件。
[0014]相反，最近有这样一种提议，在垂直偏置磁场下的电流诱发的磁化反转可以通过适当控制传感电流的方向和偏置点而被减小。然而，因为对偏置点的控制复杂，偏置点对每个元件都可能有波动，所以元件的产量降低。就该观点而言，有这样的要求，即电流诱发的磁化反转可以不考虑偏置点就被减小，这样元件的偏置点就可以在最初设计时就得到，因此，所希望的磁阻效应元件可以在达到高而稳定的产量的同时得到。
发明内容
[0015]为了在高而稳定的生产产量下制造所希望的磁阻效应元件，本发明的一个目标是减小磁化翻转。本发明的另一个目标是提供利用所述磁阻效应元件的磁头，磁记录/再现装置和磁随机访问存储器。
[0016]为了实现上述目标，本发明的一个方面涉及磁阻效应元件，该磁阻效应元件包括：磁阻效应薄膜，该磁阻效应薄膜包括磁化方向固定在一个方向的固定磁化层，磁化方向根据来自磁记录介质的信号磁场变化的自由磁化层，和设置在自由磁化层与固定磁化层之间表现金属传导的的非磁性中间层；垂直偏置机构，该垂直偏置机构构造成在偏置磁场平行于磁阻效应薄膜的平面并且垂直于固定磁化层的磁化的情况下向自由磁化层施加垂直偏置磁场；和一对电极，该对电极电连接磁阻效应薄膜以施加从所述固定磁化层流向所述自由磁化层的电流；其中，在自由磁化层中满足关系式1.2≤MRH/MRT，其中，MRT是平行于所述垂直偏置磁场的宽度，MRH是正交于所述垂直偏置磁场并且平行于来自所述磁记录介质的所述信号磁场的宽度。
[0017]本发明的另一个方面涉及包括所述磁阻效应元件的磁头。
[0018]本发明的另一个方面涉及包括磁性装置和磁记录媒介的磁记录/再现装置。
[0019]本发明的进一步的方面涉及包括所述磁头的磁存储器。
[0020]本发明的发明者为了实现上述目标进行了非常热情的研究工作。结果，他们发现了以下事实。虽然在垂直偏置磁场下电流诱发的磁化反转取决于偏置点而发生显著变化，但电流诱发的磁化反转可以随着MRH/MRT的值的增加而减小。尤其是，如果MRH/MRT的值被设定为1.2或更大，则电流诱发的磁化反转几乎不取决于偏置点。根据本发明的磁阻效应元件，自旋注入磁化反转可以不取决于偏置点而减小。因而，磁阻效应元件的产量可以增加。
[0021]如前文所述，为了实现高密度记录，磁阻效应元件的MRH和MRT值被要求设定为100nm或低于该值。在这种情况下，由于微小的MRH和MRT要求的微小的元件，磁阻效应元件的制造变得困难。但是，根据本发明的磁阻效应元件，由于MRH被要求设定得比MRT长，所希望的含有微小元件的磁阻效应元件也可以以高产量制造。
[0022]根据发明者的期望，如果磁阻效应元件被小型化，电流诱发的磁化反转可能因为边缘磁畴区没有产生而发生。事实上，根据发明者的研究和开发，如果磁阻效应元件的MRH和MRT在没有垂直偏置磁场的条件下被设定为100nm或以上，则如发明者所期望的，电流诱发的磁化反转不可能发生。在磁阻效应元件的MRH和MRT被设定为100nm或以下的情形下，如果设置垂直偏置磁性机构并且增加MRH/MRT的值，具体地增加到1.2或更大，则根据本发明，磁阻效应元件的自旋注入磁化反转可以被减小。
[0023]按照惯例，一般认为MRH/MRT的值被设定为1或更小。由于顶屏蔽层和底屏蔽层，来自磁记录媒介的磁场在磁阻效应元件的背对媒介的一侧较大，并且在朝向MRH的方向较小。在该观点中，MRG的值一般被设定为较小的值。然后，如果MRH/MRT的值被设定为不比1小，则因为在MRT方向的反磁场系数比在MRH方向的大，垂直偏置磁场不能被充分施加。但是在本发明中明显的是，电流诱发的磁化反转在MRH/MRT的值被设定为较大的值时可以被减小。在这样的观点下，本发明打破了上面所述的常规技术的见解。
[0024]本文中，下面所列的文件1到文件4提出一种与本发明相似的技术，但是针对的是CIP类型的磁阻效应元件。相反，本发明针对CPP类型磁阻效应元件，因为在堆叠方向电流从固定磁化层流向自由磁化层。因此，所引用的文件和本发明都针对相似的磁阻效应元件，但是不能相互转换，因为如在″相关技术″中的描述，CIP型磁阻效应元件和CPP型磁阻效应元件的原理是不一样的。因此，业内熟练人士可以很容易理解CIP型磁阻效应元件和CPP型磁阻效应元件是完全不同的。结果，很清楚，CPP型磁阻效应元件的技术要素不能被转移到CPP型磁阻效应元件的技术要素中。
[0025]此外，在CIP型磁阻效应元件中，电流诱发的磁化反转不能作为固有的性质发生，这样，就没有将CIP型磁阻效应元件的技术转化到根据本发明的CPP型磁阻效应元件的技术中去的机能。
[文件1]JP-A 2002-208120  (KOKAI)
[文件2]JP-A 2002-137906  (KOKAI)
[文件3]USP 6,338,889 B1
[文件4]US 2004/0121185 A1
[0026]在一个实施例中，对于自由磁化层中平行于垂直偏置磁场的宽度MRT和正交于垂直偏置磁场并且平行于来自磁记录媒介的信号磁场的宽度MRH满足关系式1.2≤MRH/MRT≤2.5。如果MRH/MRT的值被设定得太高，则磁阻效应元件在MRT方向的退磁场也被增加得太大，以至垂直偏置磁场不能被充分施加于自由磁化层。然而，如果关系式MRH/MRT≤2.5满足，则上文描述的问题不会发生。
[0027]在另一个实施例中，电流是从固定磁化层流向自由磁化层的传感电流。在这种情形下，反转自由磁化层的磁化并因此导致电流诱发的磁化反转的自旋电子的比率可以被减小。因而，在磁阻效应元件中，电流诱发的磁化反转可以被有效抑制。
[0028]根据本发明，所希望的磁阻效应元件可以在电流诱发的磁化反转减小的情况下以高而稳定的产量提供，也就能够提供利用该磁阻效应元件的磁头，磁记录/再现装置和磁随机访问存储器。
附图说明
[0029]图1是说明本发明的磁阻效应元件的实施例的截面图。
[0030]图2是说明根据本发明的磁阻效应元件的自由磁化层中几乎平行于垂直偏置磁场的宽度MRT，几乎正交于垂直偏置磁场并且几乎平行于信号磁场的宽度MRH的示意图。
[0031]图3是说明本发明的磁阻效应元件的另一个实施例的截面图。
[0032]图4是说明本发明的磁阻效应元件的另一个实施例的截面图。
[0033]图5是显示制造图1所示的磁阻效应元件中的一个步骤的解释图。
[0034]图6也是显示制造图1所示的磁阻效应元件中的一个步骤的解释图。
[0035]图7是本发明的磁阻效应元件中的偏置点的解释图。
[0036]图8是通过关键元件的表示说明根据本发明的磁记录/再现装置的示意结构的透视图。
[0037]图9是从磁记录媒介一侧观察的说明磁头组件的位于其从图8所示的磁记录/再现装置的动力臂的顶端一侧的一部分的放大的透视图。
[0038]图10是显示当传感电流从磁阻效应元件的自由磁化层流向固定磁化层时根据本发明的磁阻效应元件的磁阻率和偏置点之间的关系的曲线图。
[0039]图11也是显示当传感电流从磁阻效应元件的自由磁化层流向固定磁化层时根据本发明的磁阻效应元件的磁阻率和偏置点之间的关系的曲线图。
[0040]图12也是显示当传感电流从磁阻效应元件的自由磁化层流向固定磁化层时根据本发明的磁阻效应元件的磁阻率和偏置点之间的关系的曲线图。
[0041]图13也是显示当传感电流从磁阻效应元件的自由磁化层流向固定磁化层时根据本发明的磁阻效应元件的磁阻率和偏置点之间的关系的曲线图。
[0042]图14是显示当传感电流从磁阻效应元件的自由磁化层流向固定磁化层时根据本发明的磁阻效应元件中磁阻和信号磁场之间的关系的曲线图。
[0043]图15也是显示当传感电流从磁阻效应元件的自由磁化层流向固定磁化层时根据本发明的磁阻效应元件中磁阻和信号磁场之间的关系的曲线图。
[0046]图16也是显示当传感电流从磁阻效应元件的自由磁化层流向固定磁化层时根据本发明的磁阻效应元件中磁阻和信号磁场之间的关系的曲线图。
具体实施方式
[0045]在下文中将参考附图对本发明进行详尽描述。
[0046]图1是说明本发明的磁阻效应元件的实施例的截面图。在图1中，磁阻效应元件的截面图是从磁记录媒介的相对表面观察得到的截面图。磁记录媒介的信息由如上文描述的磁阻效应元件读出。磁阻效应元件1100构成CPP(Current Perpendi cular to Plane(电流垂直平面))型磁阻效应元件，包括由多层膜形成的自旋阀薄膜1300，设置在记录轨道方向的自旋阀薄膜1200两侧的一对磁畴控制薄膜1120，和设置成在堆叠方向将磁畴控制薄膜1120和自旋阀薄膜1200夹在中间的顶部屏蔽层1110和底部屏蔽层1140。
[0047]磁畴控制薄膜1120通过绝缘层1150连接于自旋阀薄膜1200。自旋阀薄膜1120包括顺序堆叠在底部屏蔽层1110之上的垫层1310，反铁磁层1320，铁磁层1344，磁耦合层1343，固定磁化层1342，中间层1341，自由磁化层1340和保护层1350。
[0048]在该实施例中，固定磁化层1342的磁化的取向垂直于本说明书的空间，垂直偏置磁场在起始于磁畴控制薄膜1120的自由磁化层1340的两侧施加到自由磁化层1340，以便几乎平行于磁阻效应元件1100中包含的各个层次的主要表面。因此，在该实施例中，自由磁化层1340中几乎平行于垂直偏置磁场的宽度MRT和几乎正交于垂直偏置磁场并平行于来自磁记录介质的信号磁场的宽度MRH分别相应于图2示意性所示的自由磁化层1340的宽度和深度。
[0049]在该实施例中，满足关系式MRH/MRT≥1.2。在这种情形下，即使MRH和MRT被设定为不超过100nm，自旋注入磁化反转仍几乎不取决于偏置点，所以磁阻效应元件1100的产量可以增加。最好满足关系式MRH/MRT≥1.5。
[0050]在该实施例中，要求满足关系式1.2≤MRH/MRT≤2.5。如果MRH/MRT的值被设定得太大，则在磁阻效应元件1100的MRT方向的退磁场也会被增加得太大，这样垂直偏置磁场不能被充分施加于自由磁化层。然而，如果满足关系式MRH/MRT≤2.5，则上文描述的问题不会产生。
[0051]在该实施例中，也要求传感电流从固定磁化层1342流向自由磁化层1340。在这种情形下，反转自由磁化层1340的磁化并因此导致自旋注入磁化反转的自旋电子的比率可以被减小。因而，在磁阻效应元件1100中自旋注入磁化反转可以得到有效抑制。
[0052]底部屏蔽层1110和顶部屏蔽层1140由NiFe合金制造，还具有底部电极和顶部电极的功能。垫层1310由Ta制造以便增强反铁磁层1320与铁磁层1344之间的交换耦合和自旋阀薄膜的结晶度。
[0053]反铁磁层1320由PtMn合金，X-Mn合金(X是从由Pd，Ir，Rh，Ru，Os，Ni，Fe组成的集合中选择的至少一种元素)或Pt-Mn-X’合金(X’是从由Pd，Ir，Rh，Ru，Au，Ag，Os，Cr，Ni，Ar，Ne，Xe，Kr组成的集合中选择的至少一种元素)制造。为了实现强交换耦合磁场，上文所列的合金被进行热处理。
[0054]铁磁层1344，磁耦合层1343和固定磁化层1342分别构成所谓的合成反铁磁物(SyAFs)。铁磁层1344和固定磁性层1342可以分别包括作为基本材料的含有从由Fe，Co，Ni，Mn组成的集合中选择的至少一种元素的材料。铁磁层1344和/或固定磁化层1342形成为单层结构或多层结构。在多层结构中，CoFe合金层和Cu层被堆叠。磁耦合层1343可以用诸如Cu，Au，Ru，Rh，Ir的非磁性金属材料制作。
[0055]铁磁层1344通过磁耦合层1343与固定磁化层1342反铁磁耦合，这样铁磁层1344的磁化方向由反铁磁层1320固定。
[0056]中间层1341可以由诸如Cu和Au这样的高电导非磁性金属材料制作。中间层1341也可以由诸如Mn，Re，Ru，Pd，Pt，Ag，Al，Sc，Zn，Ga，Ge，Zr，Hf，Y，Tc，In，Sn，Ca，Sr，Ba的其他材料制造。中间层1341还可以由复合材料制造，该复合材料中导体(Cu，Fe，Co，Ni或其合金)被设置在绝缘体(Al2O3)中，在文件5中被列出。
[0057]所述导体由Mn，Re，Ru，Pd，Pt，Ag，Al，Sc，Zn，Ga，Ge，Zr，Hf，Y，Tc，In，Sn，Ca，Sr，Ba制造。中间层1341的主要功能是分离自由磁化层和固定磁化层1342之间的磁耦合。
[文件5]JP-A 2005-109378(KOKAI)
[0058]自由磁化层1340由例如NiFe合金或NiFe合金薄膜与CoFe合金薄膜的多层薄膜制成，这样自由磁化层1340的磁化将根据外磁场方向而变化。保护层1350由例如Cu，Ta，Ru的材料制造，从而在磁阻效应元件1100的制造过程中在薄膜1200形成之后保护自旋阀薄膜1200。
[0059]磁畴控制薄膜1120(最好由CoPt合金或CoCrPt合金制造)形成在绝缘层1150(最好由Al2O3或AlN制造)之上。如上文所述，磁畴控制薄膜1120的功能是作为在垂直偏置磁场的方向几乎平行于磁阻效应薄膜的主要表面并且几乎垂直于固定磁化层1342的磁化的情况下向自由磁化层1340施加垂直偏置磁场的垂直偏置机构。
[0060]考虑到磁阻效应元件1100的实际使用，偏置点最好设定在20～80％的波动范围内。如果偏置点被设定得太高或太低，则磁阻效应元件1100不能响应外部信号磁场的变化，可能发生一些没有预先考虑到的噪声。例如，当外部信号磁场从初始方向变化为另外一个方向时，磁阻效应元件1100的输出可能不变化。偏置点设定在35～65％的波动范围内更好。
[0061]图3是说明根据本发明的磁阻效应元件1100的另一个实施例的截面图。该实施例中的磁阻效应元件1100和图1所示的磁阻效应元件相同，除了磁控制薄膜1120和绝缘层1150由绝缘体1130代替，并且在保护薄膜1350和顶部屏蔽层1140之间设置交换偏置层1345和顶部电极1346之外。从图1到图3，相同的参考数字被赋予对应的或相同的部分。
[0062]交换偏置层1345由与反铁磁层1320相同的材料制造，诸如PtMn合金，X-Mn合金(X是从由Pd，Ir，Rh，Ru，Os，Ni，Fe组成的集合中选择的至少一种元素)或Pt-Mn-X’合金(X’是从由Pd，Ir，Rh，Ru，Au，Ag，Os，Cr，Ni，Ar，Ne，Xe，Kr组成的集合中选择的至少一种元素)。在这种情形下，交换偏置层1345起垂直偏置机构的作用，在偏置磁场的方向几乎平行于组成磁阻效应元件1100的各个层次的主要表面并且几乎垂直于固定磁化层1342的磁化的情况下通过交换耦合向自由磁化层1340施加垂直偏置磁场。
[0063]在该实施例中，由铁磁材料，软磁性材料或非磁性材料制造的层次可以设置在交换偏置层1345和自由磁化层1350之间。
[0064]在该实施例中，因为固定磁化层1342的磁化的取向垂直于本说明书的空间，因此自由磁化层1340中几乎平行于垂直偏置磁场的宽度MRT和几乎正交于垂直偏置磁场并且几乎平行于来自磁记录媒介的信号磁场的宽度MRH分别相应于如图2示意性描绘的自由磁化层1340的宽度和深度。
[0065]在该实施例中，满足关系式MRH/MRT≥1.2。在该情况下，即使MRT和MRH被设定为不比100nm大，自旋注入磁化反转仍几乎不取决于偏置点，所以磁阻效应元件1100的产量可以增加。满足关系式MRH/MRT≥1.5更好。
[0066]在该实施例中，要求满足关系式1.2≤MRH/MRT≤2.5。如果MRH/MRT的值被设定得太高，则磁阻效应元件1100的MRT方向的退磁场也被增加得太大，以至垂直偏置磁场不能被充分施加于自由磁化层。然而，如果满足关系式MRH/MRT≤2.5，则上文描述的问题不会产生。
[0067]在该实施例中，也要求传感电流从固定磁化层1342流向自由磁化层1340。在这种情形下，反转自由磁化层1340的磁化并因此引起自旋注入磁化反转的自旋电子的比率可以被减小。因此，自旋注入磁化反转可以在磁阻效应元件1100中被有效抑制。
[0068]在交换偏置层1345中引起反铁磁序的磁矩正交于固定磁化层1342的磁化。因而，如果交换偏置层1345中的磁矩和固定磁化层1342的磁化之间的相对角度被从90°(正交角度)改变，则偏置点可以被控制。
[0069]在根据本发明的修改实施例中，除了交换偏置层1345之外还形成磁畴控制薄膜，从而由交换偏置层1345和磁畴控制薄膜的组合构成垂直偏置机构。在这种情形下，如果交换偏置层1345的磁矩被改变，则偏置点可以被控制。
[0070]交换偏置层1345可以由比用于反铁磁层1320的材料具有更低阻挡温度(意思是铁磁层和反铁磁层之间的交换耦合的阻挡温度)的材料制造。典型情况，反铁磁层1320可以用PtMn制造，交换偏置层1345可以用IrMn制造。交换耦合磁场取决于晶体颗粒在薄膜中的分布和薄膜形成过程中的真空度。PtMn制造的薄膜的交换耦合磁场随着薄膜厚度的增加而增加，但是由IrMn制造的薄膜的交换耦合磁场随着薄膜厚度的增加而减小。
[0071]交换耦合磁场可以由包含反铁磁薄膜的磁阻效应元件1100的热处理引起。热处理由两个步骤进行。在第一步，磁阻效应元件通过施加反铁磁层-热处理磁场进行热处理。在第二步，磁阻效应元件通过施加从反铁磁层-热处理磁场变化的交换偏置层-热处理磁场在比第一步低的温度下进行热处理。一般地，交换偏置层-热处理磁场被设定为正交于反铁磁性层-热处理磁场。然而，如果交换偏置层-热处理磁场与反铁磁性层-热处理磁场之间的相对角度被从90°(正交角度)改变，则偏置点能够被控制。
[0072]图4是说明根据本发明的磁阻效应元件的另一个实施例的截面图。该实施例中的磁阻效应元件1100和图3所示的磁阻效应元件相同，除了交换偏置层1348和顶部电极1346由诸如CoPt合金或CoCrPt合金的硬磁性材料经过分离层1347形成的堆内偏置层1348代替之外。从图3到图4，相同的参考数字被赋予对应的或相同的部分。
[0073]在该实施例中，分离层1347和堆内偏置层1348构成垂直偏置机构，从而在堆内偏置层1348和自由磁化层1350的边缘之间造成静态磁耦合M和M’，这样自由磁化层的磁化被排列为平行于磁阻效应薄膜的主要表面并垂直于固定磁化层的磁化。
[0074]在该实施例中，因为固定磁化层1342的磁化的取向垂直于本说明书的空间，因此自由磁化层1340中几乎平行于垂直偏置磁场的宽度MRT和几乎正交于垂直偏置磁场并且几乎平行于来自磁记录介质的信号磁场的宽度MRH相应于如图2所示意性描绘的自由磁化层1340的宽度和深度。
[0075]在该实施例中，满足关系式MRH/MRT≥1.2。在该情况中，即使MRT和MRH被设定为不比100nm大，电流诱发的磁化反转仍几乎不取决于偏置点，所以磁阻效应元件1100的产量可以增加。关系式MRH/MRT≥1.5被满足更好。
[0076]在该实施例中，要求满足关系式1.2≤MRH/MRT≤2.5。如果MRH/MRT的值被设定得太高，则磁阻效应元件1100的MRT方向的退磁场也被增加得太大，以至垂直偏置磁场不能被充分施加于自由磁化层。然而，如果满足关系式MRH/MRT≤2.5，则上文描述的问题不会产生。
[0077]在该实施例中，还要求传感电流从固定磁化层1342流向自由磁化层1340。在这种情形下，反转自由磁化层1340的磁化并因此引起电流诱发的磁化反转的自旋电子的比率可以被减小。因此，在磁阻效应元件1100中电流诱发的磁化反转可以被有效抑制。
[0078]在堆内偏置层1348中引起反铁磁序的磁矩正交于固定磁化层1342的磁化。因而，如果堆内偏置层1348中的磁矩和固定磁化层1342的磁化之间的相对角度被从90°(正交角度)改变，则偏置点可以被控制。
[0079]在根据本发明的修改实施例中，除了堆内偏置层1348之外还形成磁畴控制薄膜，从而由堆内偏置层1348和磁畴控制薄膜的组合构成垂直偏置机构。在这种情形下，如果堆内偏置层1348的磁矩被改变，则偏置点可以被控制。
[0080]在这些实施例中，如果铁磁层的磁性厚度被设定为不同于固定磁化层的磁性厚度，从而将因此产生的漏静态磁场施加于自由磁化层，则偏置点也可以被控制。偏置点的控制方法可以与改变固定磁化层1342的磁化与交换耦合层1345或堆内偏置层1348中的磁矩之间的相对角度的偏置点的控制方法相结合。
[0081]磁性厚度可以通过改变某个层次的固有厚度来改变，但是也可以通过改变该层次的组分来改变。例如，如果某个层次由Co80Fe20或Co而不是Co90Fe10制造，则该层次的磁性厚度可以被改变。
[0082]偏置点可以通过利用自由磁化层和固定磁化层之间大的夹层耦合磁场而被控制。一般地，磁畴控制薄膜1120的磁性厚度在3.0memu/cm2左右，但是如果磁性厚度被减小到1.5memu/cm2，则夹层耦合磁场可以增加到超过1500e。
[0083]然后，下文将叙述图1所描绘的磁阻效应元件1100。图5和图6是显示磁阻效应元件1100的制造中的步骤的说明图。
[0084]首先，如图5所示，底部屏蔽层1110，底层1310，反铁磁层1320，铁磁层1344，磁耦合层1343，固定磁化层1342，中间层1341，自由磁化层1340和保护层1350相继形成在基底(没有显示)上。
[0085]各个层次都可以通过溅射的方法制作，溅射可以采用DC磁控溅射，RF磁控溅射，离子束溅射，长程慢速溅射，准直溅射或这些溅射方法的组合。
[0086]然后，抗蚀剂层1360形成在保护层1350之上，并对图5所示的层叠结构进行离子研磨处理，使层叠结构的两个边缘都被从保护层1350刻蚀到底层1310，如图6所示。然后，绝缘层1150和磁畴控制薄膜1120被形成在层叠结构被刻蚀的部分。然后，抗蚀剂层1360被移除，并且形成顶部保护层1140，从而磁阻效应元件1100被完成。
[0087]在该实施例中，关于磁阻效应元件1100，固定磁化层，中间层，自由磁化层被相继形成，因而构成底部型磁阻效应元件，但是自由磁化层，中间层，固定磁化层被相继形成，因而构成顶部型磁阻效应元件。
[0088]在本说明书中，偏置点可以定义如下。图7是对本发明的磁阻效应元件中的偏置点的解释图。在图中，磁阻效应元件的输出电压V的变化与信号磁场H的关系在被称为″转移曲线″的曲线图中表示。
[0089]假设，比较小的信号电压(最好为几个mV到40mV)被施加于磁阻效应元件。当小的信号磁场被施加时，因为固定磁化层的磁化方向接近平行于自由磁化层的磁化方向，因此从磁阻效应元件的输出为较小的值VA。反之，当大的信号磁场被施加到磁阻效应元件时，因为固定磁化层的磁化方向接近反平行于自由磁化层的磁化方向，因此从磁阻效应元件的输出为较大的值VB。此外，当信号磁场被设定为0时，从磁阻效应元件的输出为VA与VB之间的中间值VC。因而，偏置点BP可以用下面的公式计算：
BP＝(VC-VA)/(VB-VA)×100(％)。
[0090]然后，随着信号磁场强度的增大，磁阻效应元件的阻抗被分别定义为RA，RC和RB，在这种情况下，偏置点BP可以用下面的公式计算：
BP＝(RC-RA)/(RB-RA)×100(％)
[0091]偏置点可以由另外一种方法定义。例如，磁阻效应元件的输出电压V或阻抗R的变化通过在恒定信号磁场下改变施加于元件的传感电流进行测量。在小传感电流的条件下，检查从磁阻效应元件在无信号磁场情况下的输出是否接近于在给定的正信号磁场下或给定的负信号磁场下的输出。当给定的正磁场被设定为+400 Oe时，给定的负磁场被设定为-400 Oe，在该情况下，正信号磁场的强度与负信号磁场的强度相同，所以正信号磁场的方向与负信号磁场的方向相反。在这种情况下，偏置点也可以由前文所列的等式测量。在该偏置点确定方法中，偏置点可以随着信号磁场强度的增大被恰当地定义。最好，信号磁场的强度被设定为400 Oe或更大。
[0092]接着将描述安装了本发明的磁阻效应元件的磁记录/再现装置。例如，磁阻效应元件被预先安装于允许记录/再现，并被作为磁记录/再现装置中的磁头组件安装的整体的磁头组件中。
[0093]图8是说明磁记录/再现装置的示意结构的透视图。在图8中显示了磁记录/再现装置的关键要素。磁记录/再现装置150构成了旋转致动型磁记录/再现装置。在图8中，磁记录盘200被安装于主轴152上，主轴152由响应来自驱动单元控制器(未显示)的控制信号被驱动的电动机(未显示)的驱动以箭头A所指的方向转动。本发明的磁记录/再现设备150可以是配备多个磁记录盘200的磁记录/再现设备。各个磁记录盘200可以构成已记录数位的磁化方向平行于其主要表面的纵向磁记录型磁盘，或已记录数位的磁化方向垂直于其主要表面的垂直磁记录型磁盘。
[0094]记录/再现储存在磁记录盘200中的信息的磁头滑动器153安装在薄膜型悬臂154的顶端。磁头滑动器153安装如上文的实施例中所描述的磁阻效应元件或包含该磁阻效应元件的磁头。
[0095]当磁记录盘200旋转时，磁头滑动器153的背对磁记录盘200的表面(ABS)从磁记录光盘200的主要表面上浮动。或者，滑动器可以构成所谓的“接触运行型”滑动器，使滑动器与磁记录盘200接触。悬臂154连接到致动器臂155的一个边缘，线圈架部分支撑驱动线圈或类似元件。音圈电动机156由绕在线圈架部分周围的驱动线圈和磁路构成，该磁路具有将驱动线圈夹在中间这样设置的永磁铁与磁轭。
[0096]致动器臂155由设置在主轴157的上部和下部的滚珠轴承(未显示)支撑，这样就可以由音圈电动机156驱动而自由地旋转和滑动。
[0097]图9是从磁记录盘200一侧观察的说明磁头组件的位于其从致动其臂155的顶端一侧的一部分的放大的透视图。如图9所示，磁头组件160具有其线圈架部分支撑驱动线圈等的致动器臂155。悬臂155与致动器臂155的一个边缘连接。然后，带有根据本发明的前文所述的实施例中定义的磁阻效应元件的磁头滑动器153被附接于悬臂154的顶端。悬臂154包括用于读/写信号的引线164，其中，引线164与嵌在磁头滑动器153中的磁头的各个电极电连接。在图中，参考数字“165”代表组件160的电极垫。
[0098]根据本发明的磁记录/再现装置，由于磁阻效应元件被安装，用磁的方法记录在磁记录盘200中的信息可以被恰当地读出。
(实例)
[0099]在该实例中，如图1所示的CPP型磁阻效应元件被制造，所以在该元件中，电流诱发的磁化反转和偏置点之间的关系被测试。
[0100]底层1310由厚度为5nm的Ta薄膜制作，反铁磁层1320由厚度为15nm的PtMn薄膜制作。铁磁层1344由厚度为3.4nm的Co90Fe10薄膜制作，非磁耦合层1343由厚度为0.85nm的Ru薄膜制作。固定磁化层1342由厚度为3nm的Fe50Co50薄膜制作，中间层1341由厚度为5nm的Al2O3薄膜制作。Al2O3薄膜中形成由Cu制成的导电路径。自由磁化层1340由1nm的Co90Fe10/3.5nm的Ni83Fe17的多层薄膜制作，保护层1350由厚度为5nm的Cu薄膜制作，垂直偏置机构由CoCrPt合金的磁畴控制薄膜制作。反铁磁性层1320的磁化几乎垂直于磁畴控制薄膜的磁化。然后，当传感电流随着MRT和MRH的变化从自由磁化层流向固定磁化层时，磁阻效应元件的一些转移曲线被测量。
[0101]其后，当传感电流从自由磁化层流到固定磁化层时，传感电流和偏置电压的极性被定义为正。
[0102]然后，偏置电压被设定为+40mV，+80mV和+120mV时的磁阻变化值与偏置电压被设定为-40mV时的磁阻变化值的比值被计算，这样，在磁阻效应元件中偏置点对磁阻变化率的依赖性就可以被测量。结果，偏置点在所要求的20％~80％的范围内波动。为了阐明偏置点对磁阻变化率的依赖性，制造40个如图1所示的MRT和MRH相同的磁阻效应元件，这样偏置点对磁阻变化率的依赖性可以用最小二乘法通过进行线性拟合而测量。
[0103]在图10到图13中很清楚地显示，随着MRT增加和MRT减小，偏置点对磁阻变化率的依赖性降低。如图10到图13所示的趋势随着偏置电压也就是自旋角动量转移量的增加而更加显著。还有，明显的是，当偏置点被设定在20％~50％的范围内时，磁阻值增加，这在所要求的磁阻效应元件的设计中是理想的。
[0104]然后，对每一个MRH和MRT计算对于40个磁阻效应元件平均的磁阻变化值。结果，当MRH被设定为50nm，MRT被设定为80nm(MRH/MRT＝0.63)时，平均磁阻变化值为1.7％。当MRH被设定为50nm，MRT被设定为64nm(MRH/MRT＝0.78)时，平均磁阻变化值为1.6％。当MRH被设定为100nm，MRT被设定为83nm(MRH/MRT＝1.2)时，平均磁阻变化值为2.8％。当MRH被设定为100nm，MRT被设定为64nm(MRH/MRT＝1.56)时，平均磁阻变化值为2.4％。[0105]磁阻变化值随着磁阻效应元件尺寸减小而减小的原因是，被用于评估磁性材料的磁热稳定性的指标KuV/KBT(Ku：磁各项异性常数，V：磁性材料的体积，KB：波尔兹曼常数，T：绝对温度)也随着磁阻效应元件的尺寸减小而减小，所以磁阻效应元件的热稳定性被破坏。然而，因为与图12和13相关的磁阻效应元件满足本发明的要求，因此即使磁阻效应元件的尺寸减小，磁阻变化值也为2％或更大的相对大的值。
[0106]为了在磁阻效应元件中实现高密度记录，必须要求对应于磁记录媒介的磁轨宽度的元件的MRT变小。在小MRT的条件下，如果元件的MRH变大而使MRH/MRT的比值增加，则磁阻变化值可以增加，这对设计磁阻效应元件是有利的。
[0107]图14是显示MRT被设定为80nm，MRH被设定为200nm(MRH/MRT＝2.5)时CPP型磁阻效应元件中磁阻R与磁场之间的关系的曲线图。图15和图16也是显示MRT被设定为80nm，MRH被设定为250nm(MRH/MRT＝3.1)时CPP型磁阻效应元件中磁阻R与磁场之间的关系的曲线图。在这些情况下，传感电流从自由磁化层流到固定磁化层。
[0108]从图14中可以清楚看出，当MRH/MRT被设定为2.5或低于2.5时，对于信号磁场H的磁阻效应元件的磁阻R的变化形成渐进的曲线，所以磁阻效应元件的输出几乎与信号磁场H成比例。相反，从图15和16可以清楚看出，当MRH/MRT被设定为超过2.5时，垂直偏置磁场不能被有效地施加于磁阻效应元件，所以对于信号磁场H的磁阻效应元件的磁阻R的变化形成阶梯形曲线。因而，磁阻效应元件的输出与信号磁场H不成比例。就这点考虑，要求将MRH/MRT设定为2.5或低于2.5。
[0109]虽然对本发明参考上文的实例进行了详尽的描述，但本发明不限于上文揭示的内容，并且可以进行各种变化和修改而不背离本发明的范围。

Claims (11)

1.一种磁阻效应元件，其特征在于，该磁阻效应元件包括：
磁阻效应薄膜，该磁阻效应薄膜包括磁化方向固定在一个方向的固定磁化层，磁化方向根据来自磁记录介质的信号磁场变化的自由磁化层，和设置在自由磁化层与固定磁化层之间表现金属传导的的非磁性中间层；
垂直偏置机构，该垂直偏置机构构造成在偏置磁场平行于磁阻效应薄膜的平面并且垂直于固定磁化层的磁化的情况下向自由磁化层施加垂直偏置磁场；和
一对电极，该对电极电连接磁阻效应薄膜以施加从所述固定磁化层流向所述自由磁化层的电流；
其中，在自由磁化层中满足关系式1.2≤MRH/MRT，其中，MRT是平行于所述垂直偏置磁场的宽度，MRH是正交于所述垂直偏置磁场并且平行于来自所述磁记录介质的所述信号磁场的宽度。
2.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
在所述自由磁化层中满足关系式1.2≤MRH/MRT≤2.5。
3.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述电流是从所述固定磁化层流向所述自由磁化层的传感电流。
4.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述磁阻效应元件的偏置点被设定在20％～80％的波动范围内。
5.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述垂直偏置机构包括由硬磁性材料制成的设置成至少与所述固定磁化层的侧边接触的偏置层。
6.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述垂直偏置机构包括设置在所述固定磁化层上方并且与所述固定磁化层磁连接的偏置层。
7.如权利要求6所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述偏置层由反铁磁性材料制成并且通过交换耦合与所述固定磁化层磁连接。
8.如权利要求6所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述偏置层由硬磁性材料制成并且与所述固定磁化层静磁连接。
9.一种磁阻效应磁头，其特征在于，该磁阻效应磁头包括如权利要求1所述的磁阻效应元件。
10.一种磁记录/再现装置，其特征在于，该磁记录/再现装置包括磁记录介质和如权利要求9所述的磁阻效应磁头。
11.一种磁存储器，其特征在于，该磁存储器包括如权利要求1所述的磁阻效应元件。
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