CN101101959B - 磁阻效应元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明其目的在于提供一种可应用于高密度存储的磁存储装置、可设法提高可靠性的磁阻效应元件。本发明的具有隔层的CCP结构的磁阻效应元件的制造方法中，该隔层形成时，形成第一金属层，在该第一金属层上形成可变换为该绝缘层的第二金属层，进行第一氧化或氮化处理，将该第二金属层变换为该绝缘层，并且形成贯通该绝缘层的该金属层，在通过该第一变换处理所形成的该绝缘层和该金属层上形成可变换为该绝缘层的第三金属层，进行第二氧化或氮化处理，将该第三金属层变换为该绝缘层，并且形成贯通该绝缘层的金属层。

Description

磁阻效应元件的制造方法
技术领域
本发明涉及在磁阻效应膜的膜面的垂直方向上流过读出电流来进行磁性检测的磁阻效应元件的制造方法。
背景技术
通过利用巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistive Effect：GMR)，磁器件尤其是磁头其性能有飞跃式提高。具体来说，自旋阀膜(Spin-Valve：SV膜)在磁头、MRAM(MagneticRandom Access Memory：磁随机存取存储器)的应用对磁器件领域带来了较大的技术进步。
“自旋阀膜”是具有在两层铁磁性层间夹有非磁性隔层这种结构的叠层膜，也称为自旋相关散射单元。这两层铁磁性层其中一层(可称为“销钉(ピン)层”或“磁化固定层”等)其磁化由反铁磁性层所固定，而其中另一层(可称为“自由层”或“磁化自由层”等)的磁化则可随外部磁场而旋转。自旋阀膜可通过固定层和自由层磁化方向相对角度的变化来得到巨大的磁阻变化。
采用自旋阀膜的磁阻效应元件包括CIP(Current In Plane(面内电流))-GMR元件、CPP(Current Perpendicular to Plane(与面垂直电流))-GMR元件、以及TMR(TunnelingMagneto Resistance(隧道磁阻))元件。CIP-GMR元件中沿与自旋阀膜的膜面相平行的方向提供读出电流，而CPP-GMR元件和TMR元件中则沿与自旋阀膜的膜面大体垂直的方向提供读出电流。其中相对于膜面垂直提供读出电流的方式作为适应未来高记录密度磁头的技术而备受关注。
这里，自旋阀膜由金属层形成的金属CPP-GMR元件，因磁化所形成的电阻变化量较小，难以对微弱磁场(例如高记录密度的磁器件的磁场)进行检测。
提出的方案有作为隔层采用在厚度方向上有电流通路的氧化物层[NOL(nano-oxidelayer(纳米级氧化物层))]的CPP元件(参照专利文献1)。这种元件可利用电流收窄[CCP(current-confined-path：电流约束通路)]效应来增大元件阻抗和磁阻变化率。以下，称该元件为CCP-CPP元件。
[专利文献1]日本特開2002-208744号公报
发明内容
目前HDD(硬盘驱动器)等磁存储装置可用于PC、便携式音乐播放器等用途。但未来磁存储装置的用途进一步普及、并使高密度存储得到推进的话，对可靠性的要求将更为严格。举例来说，需要提高其在较高温度条件下、高速工作环境下的可靠性。因此，希望磁头的可靠性比以往有所提高。
尤其是CCP-CPP元件，与现有的TMR元件相比阻抗较低，因此可应用于要求较高传送速率的服务器和企业级用途的高端磁存储装置。这种高端用途要求同时满足高密度、高可靠性这两者。而且，这些用途希望提高在较高温度条件下的可靠性。也就是说，需要在更为严酷的环境(高温环境等)、更为严格的使用条件(读取高速旋转的磁盘中的信息等)下使用CCP-CPP元件。
CCP-CPP元件为低电阻，因而在高频响应性及高密度记录适应性方面均很出色，但由于是具有三维纳米级结构的非常复杂的方式，因而实际上难以实现如所设计的理想的结构。为了实现技术规格更为严格的服务器、企业级用途，需要实现形态更为理想的CCP结构。
本发明其目的在于提供一种可应用于高密度存储的磁存储装置、可设法提高可靠性的磁阻效应元件。
要达到上述目的，本发明一方式涉及一种磁阻效应元件的制造方法，
该磁阻效应元件包括：磁化方向固定于一方向的磁化固定层；磁化方向与外部磁场相对应而变化的磁化自由层；以及设置于所述磁化固定层和所述磁化自由层两者间、包含绝缘层和贯通所述绝缘层的金属层的隔层，其特征在于，
当形成所述隔层时，
形成第一金属层，
在所述第一金属层上形成变换为所述绝缘层的第二金属层，
进行第一氧化或氮化处理，将所述第二金属层变换为所述绝缘层，并且形成贯通所述绝缘层的所述金属层，
在通过所述第一氧化或氮化处理所形成的所述绝缘层和所述金属层上形成变换为所述绝缘层的第三金属层，
进行第二氧化或氮化处理，将所述第三金属层变换为所述绝缘层，并且形成贯通所述绝缘层的金属层。
本发明的发明者进行了要达成到上述目的的深入研究。其结果是，在包括：磁化方向实质上固定于一方向的磁化固定层；磁化方向与外部磁场相对应而变化的磁化自由层；以及设置于所述磁化固定层和所述磁化自由层两者间、包含绝缘层和贯通所述绝缘层的金属层的隔层的，称谓CCP结构的磁阻效应元件中，在形成所述隔层时，对所述隔层按照本发明利用两个阶段的变换处理来实施，替代以往利用1个阶段的变换处理来实施，从而将所述隔层形成得相对较厚。
因而，构成隔层的绝缘层其膜厚增大，从而可以完全抑制漏电流流过所述隔层中所形成的电流通路层以外原本应起到绝缘层功能的区域。因此，可以发挥更强的CCP效应，并实现更为牢靠的可靠性。
而且，通过加厚绝缘层膜厚，因而绝缘层的绝缘耐压提高，所以可使静电电荷等静电破坏的耐受性提高。静电电荷耐压高，关系到将磁头组装到HDD中时成品率的提高。
这样大幅度提高可靠性性能，不仅是HDD制造时，而且可使各种状况的破坏耐受性、耐热性也提高，因而适合作为需要高可靠性的服务器、企业级用途的磁头。不只是简单地提高记录密度的高可靠性磁头，在近些年HDD用途普及的状况下变得愈加重要。磁头寿命的延长这一点，因HDD使用环境变宽这一点变得非常重要。这种高可靠性的磁头，作为热环境严酷的汽车导航用HDD来说非常有效。
当然，具有这种高可靠性的磁头，不仅是上面所述的高附加值的HDD，而且可以用作民用用途的普通PC、便携式音乐播放器、移动电话等的HDD。
另外，尽管下面具有详细的说明，但本发明的制造方法中对第二金属层和第三金属层实施上述第一变换处理和第二变换处理来形成所要实现的隔层，但这时，变换处理之际构成所述第二金属层下所形成的第一金属层的原子得到移动能量移动至上方，因此在绝缘层中形成金属层(电流通路)。
所以，上述方式由于对隔层按两个阶段变换处理来实施，因而第二阶段的变换处理中也可以设法在另行通过所述第一变换处理所形成的所述绝缘层及所述金属层和所述第三金属层之间形成与上述第一金属层相同功能的金属层(第四金属层)。这种情况下，构成所述第四金属层的原子在第二变换处理的过程中移动至变换为绝缘层的过程的上述第三金属层中，从而形成电流通路。结果是可确实形成在隔层内贯通的所述金属层(电流通路)。
而且，上述变换处理是对应变换为绝缘层的金属层进行氧化处理和氮化处理其中之任一处理，但其可按例如以下方法实施。
具体来说，所述第一变换处理和所述第二变换处理其中至少之一通过在包含氩气、氙气、氦气、氖气、和氪气其中至少之一的气体经过离子处理或等离子处理所得到的气体介质中，供给包含氧气和氮气其中至少之一的气体，并在经过所述离子处理的气体或经过所述等离子处理的气体的气体介质下，对所述第二金属层或所述第三金属层进行氧化处理和氮化处理其中至少之一来实施(第一种方法)。
而且，所述第一变换处理和所述第二变换处理其中至少之一经过下列步骤来实施：
第一步骤，在将包含氩气、氙气、氦气、氖气、和氪气其中至少之一的气体经过离子处理或等离子处理所得到的气体介质中，供给包含氧气和氮气其中至少之一的气体，并在经过所述离子处理的气体或经过所述等离子处理的气体的气体介质下，对所述第二金属层或所述第三金属层进行氧化处理和氮化处理其中至少之一；以及
第二步骤，停止供给包含所述氧气和所述氮气其中至少之一的所述气体，并对包含氩、氙、氦、氖、和氪其中至少之一元素的气体进行离子处理或等离子处理来照射膜表面(第二种方法)。
此外，所述第一变换处理和所述第二变换处理其中至少之一经过下列步骤来实施：
第一步骤，对包含氩、氙、氦、氖、和氪其中至少之一元素的气体进行离子处理或等离子处理来照射膜表面；以及
第二步骤，在将包含氩气、氙气、氦气、氖气、和氪气其中至少之一的气体经过离子处理或等离子处理所得到的气体介质中，供给包含氧气和氮气其中至少之一的气体，并在经过所述离子处理的气体或经过所述等离子处理的气体的气体介质下，对所述第二金属层或所述第三金属层进行氧化处理和氮化处理其中至少之一(第三种方法)。
而且，所述第一变换处理和所述第二变换处理其中至少之一经过下列步骤来实施：
第一步骤，在将包含氩气、氙气、氦气、氖气、和氪气其中至少之一的气体经过离子处理或等离子处理所得到的气体介质中，供给包含氧气和氮气其中至少之一的气体，并在经过所述离子处理的气体或经过所述等离子处理的气体的气体介质下，对所述第二金属层或所述第三金属层进行氧化处理和氮化处理其中至少之一；
第二步骤，在将包含氩气、氙气、氦气、氖气、和氪气其中至少之一的气体经过离子处理或等离子处理所得到的气体介质中，供给包含氧气和氮气其中至少之一的气体，并在经过所述离子处理的气体或经过所述等离子处理的气体的气体介质下，对所述第二金属层或所述第三金属层进行氧化处理和氮化处理其中至少之一；以及
第三步骤，停止供给包含所述氧气和所述氮气其中至少之一的所述气体，并对包含氩、氙、氦、氖、和氪其中至少之任一元素的气体进行离子处理或等离子处理来照射膜表面(第四种方法)。
可通过上述方法可靠地实施上述第一变换处理和第二变换处理，能够确实得到包含具有上述结构的隔层、并具有上述作用效果的、所谓CPP结构的磁阻效应元件。
另外，可通过上述制造方法来获得一种磁阻效应元件，包括：磁化方向实质上固定于一方向的磁化固定层；磁化方向与外部磁场相对应而变化的磁化自由层；以及设置于所述磁化固定层和所述磁化自由层两者间、包含绝缘层和贯通所述绝缘层的金属层的隔层，其特征在于，
形成所述隔层的金属层，其基底侧下部的氧浓度和基底相反一侧上部的氧浓度两者之差为10原子％以内。
此外，可获得一种磁阻效应元件，包括：磁化方向实质上固定于一方向的磁化固定层；磁化方向与外部磁场相对应而变化的磁化自由层；以及设置于所述磁化固定层和所述磁化自由层两者间、包含绝缘层和贯通所述绝缘层的金属层的隔层，其特征在于，
形成所述隔层的金属层，其基底侧下部的开口面积和基底相反一侧上部的开口面积两者之差为20％以内。
综上所述，按照本发明可以提供一种能用于高密度存储的磁存储装置、可设法提高可靠性的磁阻效应元件。
附图说明
图1是示出本发明一例磁阻效应元件(CCP-CPP元件)的立体图。
图2是示出形成本发明实施方式的磁阻效应元件的隔层所用的制造工序的流程图。
图3是示出制造本发明实施方式的磁阻效应元件(CCP-CPP元件)所用的装置的概要构成图。
图4是图3所示的一例氧化室构成。
图5是示出形成本发明实施方式的磁阻效应元件的隔层所用的制造工序的流程图。
图6为表示将本发明实施方式的磁阻效应元件组装到磁头中的状态。
图7为表示将本发明实施方式的磁阻效应元件组装到磁头中的状态。
图8是举例表示磁记录再生装置概要构成的主要部分立体图。
图9是从盘片侧观察执行机构臂前部的磁头万向架组件的放大立体图。
图10为表示本发明实施方式的磁存储器矩阵构成的一个例子用的图。
图11为表示本发明实施方式的磁存储器矩阵构成的另一例子用的图。
图12是示出本发明实施方式的磁存储器主要部分的剖面图。
图13是图12中沿A-A’线的剖面图。
[标号说明]
10...磁阻效应膜，11...下电极，12...底层，12a...缓冲层，12b...籽晶层，13...钉扎层，14...销钉层，141...下部销钉层，142...磁耦合层，143...上部销钉层，15...下部金属层，16...隔层，161...绝缘层，162...电流通路，17...上部金属层，18...自由层，19...罩层，20...上电极，21...电流通路，21’...电流通路，162...使21和21’两者结合的电流通路，22...绝缘层，22’...绝缘层，161...使22和22’两者结合的绝缘层
具体实施方式
下面参照附图根据实施本发明的最佳方式来说明本发明其他特征和优点。
(磁阻效应元件)
图1是示出本发明一例磁阻效应元件(CCP-CPP元件)的立体图。另外，本说明书中总体附图是按示意性方式绘制，所绘制的各组成部分其大小(膜厚等)以及各组成部分彼此间的比例等与实际情形有所不同。
如图1所示，本实施方式的磁阻效应元件具有磁阻效应膜10以及从上下两个方向夹住该磁阻效应膜10的上电极20和下电极11，并构成于未图示的基底上。
磁阻效应膜10通过使底层12、钉扎层13、销钉层14、下部金属层15、隔层(CCP-NOL)16(绝缘层161、电流通路162)、上部金属层17、自由层18、罩层19依次叠层来构成。其中销钉层14、下部金属层15、隔层16、上部金属层17、以及自由层18与两层铁磁性层间夹有非磁性隔层而成的自旋阀膜相对应。而下部金属层15、隔层(CCP-NOL)16、以及上部金属层17其总体可定义为广义的隔层。另外，为了便于观看，隔层16以从其上下层(上部金属层17和下部金属层15)当中切开的状态来表示。
下面说明磁阻效应元件的组成部分。
下电极11是按自旋阀膜的垂直方向供电用的电极。通过在下电极11和上电极20两者间加上电压来使电流在自旋阀膜内部沿与其膜面垂直方向流过。可通过利用该电流检测因磁阻效应而引起的电阻变化，来进行磁检测。下电极11为了对磁阻效应元件提供电流，而采用电阻相对较小的金属层。可采用NiFe、Cu等。
底层12可划分为例如缓冲层12a、籽晶层12b。缓冲层12a为可缓和下电极11表面粗糙用的层。籽晶层12b则为控制形成于其上的自旋阀膜的结晶取向和结晶粒径用的层。
作为缓冲层12a可以采用Ta、Ti、W、Zr、Hf、Cr或者其合金。缓冲层12a的膜厚较好是2～10纳米量级，更为理想的是3～5纳米量级。缓冲层12a其厚度过薄的话，会丧失缓冲效果。而缓冲层12a其厚度过厚的话，便会使对于MR变化率没有用的串联阻抗增大。另外，在形成于缓冲层12a上的籽晶层12b具有缓冲效果的情况下，并不一定要设置缓冲层12a。作为上述其中一例优选方式可采用Ta[3纳米]。
籽晶层12b只要是可控制其上成膜的层的结晶取向的材料即可。作为籽晶层12b较好是具有fcc结构(face-centered cubic structure(面心立方结构))、hcp结构(hexagonalclose-packed structure(六边形闭合封装结构))、或bcc结构(body-centered cubic structure(体心立方结构))的金属层等。举例来说，可通过使用具有hcp结构的Ru或具有fcc结构的NiFe作为籽晶层12b，来使其上自旋阀膜的结晶取向为fcc(111)取向。此外，可以使钉扎层13(例如PtMn)的结晶取向为规则的fct结构(face-centeredtetragonal structure(面心正方结构))或bcc结构(body-centered cubic structure(体心立方结构))(110)取向。除此以外也可以采用Cr、Zr、Ti、Mo、Nb、W或者其合金层等。
为了充分发挥籽晶层12b改善结晶取向的作用，籽晶层12b的膜厚较好是1～5纳米，更为理想的是1.5～3纳米。作为上述其中一例优选方式可采用Ru[2纳米]。
自旋阀膜、钉扎层13的结晶取向性能可通过X射线衍射进行测定。可通过使旋阀膜的fcc(111)峰值、钉扎层13(PtMn)的fct(111)峰值或bcc(110)峰值处同步固定(ロツキング)曲线的半幅值为3.5°～6°，能得到良好的取向性。另外，该取向的扩散角度也可以根据用到断面TEM的衍射光斑来判别。
作为籽晶层12b，也可用NiFe基合金(例如NiXFe100-X(x＝90％～50％，较好是75％～85％)或通过对NiFe添加第三元素X来使之为非磁性的(NiXFe100-X)100-YXY(X＝Cr、V、Nb、Hf、Zr、Mo))来替代Ru。NiFe基籽晶层12b可相对容易地获得良好的结晶取向性，能将与上述同样方式测定的同步固定(ロツキング)曲线的半幅值作为3°～5°。
籽晶层12b不仅起到改善结晶取向的作用，而且还具有控制自旋阀膜结晶粒径的作用。具体来说，可以将自旋阀膜的结晶粒径控制为5～40纳米，即便是磁阻效应元件的尺寸较小，也能够避免特性偏差实现较高的MR变化率。
这里的结晶粒径，可通过籽晶层12b上所形成的晶粒的粒径来判别，并利用断面TEM等来确定。在销钉层14处于隔层16的下层位置的基底型自旋阀膜的情况下，可以根据籽晶层12b上所形成的钉扎层13(反铁磁性层)、销钉层14(磁化固定层)的结晶粒径来判别。
与高密度记录相对应的再生磁头，其元件尺寸为例如100纳米或以下。结晶粒径相对于元件尺寸之比较大，成为元件特性偏差的原因。自旋阀膜的结晶粒径希望不大于40纳米。具体来说，结晶粒径较好是5～40纳米范围，更为理想的是5～20纳米范围。
单位元件面积的晶粒其数目较少的话，便会因结晶数目较少而成为特性偏差原因，所以不太希望加大结晶粒径。尤其是形成了电流通路的CCP-CPP元件不太希望加大结晶粒径。另一方面，结晶粒径过小，一般来说也难以维持良好的结晶取向。考虑到这些结晶粒径的上限和下限的较为理想的结晶粒径范围为5～20纳米。
但作为MRAM等用途，有的元件尺寸为100纳米或以上，还有结晶粒径大到40纳米量级也没有那样的问题。也就是说，也有通过用籽晶层12b、即便是结晶粒径粗大也没有妨碍这种情形。
为了得到上述5～20纳米的结晶粒径，作为籽晶层12b来说，在Ru[2纳米]或(NiXFe100-X)100-YXY(X＝Cr、V、Nb、Hf、Zr、Mo)层的情况下，较好是第三元素X的组成y为0％～30％大小(也包含y为0％的情形)。
另一方面，为了使用比40纳米还粗大的结晶粒径，较好是进一步采用较多数量的添加元素。籽晶层12b的材料为例如NiFeCr的情况下，较好是使Cr量为35％～45％左右，并用fcc和bcc的边界相所示的组成，用具有bcc结构的NiFeCr层。
如前文所述，籽晶层12b的膜厚较好是1～5纳米量级，较为理想的是1.5～3纳米。籽晶层12b的厚度过薄的话，便丧失结晶取向控制等效果。另一方面，籽晶层12b的厚度过厚的话，便往往导致串联阻抗增大，进而成为自旋阀膜的界面发生凹凸的原因。
钉扎层13具有对其上成膜的作为销钉层14的铁磁性层赋予单一方向的各向异性(unidirectional anisotropy)来固定磁化的作用。作为钉扎层13的材料来说，可采用PtMn、PdPtMn、IrMn、RuRhMn等反铁磁性材料。这当中，作为适应高记录密度的磁头材料来说IrMn较为有利。IrMn可以比PtMn薄的膜厚加上单一方向的各向异性，适合高密度记录所需的窄禁带化。
为了赋予足够强的单一方向的各向异性，适当设定钉扎层13的膜厚。钉扎层13的材料为PtMn、PdPtMn的情况下，作为膜厚较好是8～20纳米量级，较为理想的是10～15纳米。钉扎层13的材料为IrMn的情况下，即便为比PtMn等较薄的膜厚，也可赋予单一方向的各向异性，较好是3～12纳米，较为理想的是4～10纳米。作为上述其中一例优选方式可采用IrMn[7纳米]。
作为钉扎层13可采用硬磁性层来替代反铁磁性层。作为硬磁性层可采用例如CoPt(Co＝50％～85％)、(CoXPt100-X)100-YCrY(x＝50％～85％，y＝0％～40％)、FePt(Pt＝40％～60％)。硬磁性层(具体来说为CoPt)其电阻率相对较小，因而可以抑制串联电阻和面积电阻RA增大。
销钉层14其中一优选方式为由下部销钉层141(例如Co90Fe10[3.5纳米])、磁耦合层142(例如Ru)、以及上部销钉层143(例如(Fe50Co50[1纳米]/Cu[0.25纳米])×2/Fe50Co50[1纳米])所组成的复合销钉层。钉扎层13(例如IrMn)和直接位于其上的固定层141进行交换磁耦合以便具有单一方向的各向异性。磁耦合层142上下方的上部销钉层143和下部销钉层141进行强磁耦合以便磁化方向彼此反向平行。
作为下部销钉层141的材料可采用例如CoXFe100-X合金(x＝0％～100％)、NiXFe100-X合金(x＝0％～100％)、或上述合金中添加了非磁性元素的材料。而且，作为下部销钉层141的材料也可用Co、Fe、Ni这类单一元素或其合金。
下部销钉层141的磁膜厚度(饱和磁化Bs×膜厚t(乘积Bs·t))最好是与上部销钉层143的磁膜厚度大体相等。也就是说，上部销钉层143的磁膜厚度和下部销钉层141的磁膜厚度最好是两者相对应。举例来说，在上部销钉层143为(Fe50Co50[1纳米]/Cu[0.25纳米])×2/Fe50Co50[1纳米]的情况下，薄膜中的FeCo的饱和磁化为约2.2T，所以磁膜厚度为2.2T×3纳米＝6.6T纳米。由于Co90Fe10的饱和磁化为约1.8T，所以给出与上述相等的磁膜厚度的下部销钉层141的膜厚t为6.6T纳米/1.8T＝3.66纳米。因而，希望采用膜厚约为3.6纳米的Co90Fe10。而且，用IrMn作为钉扎层13的情况下，希望下部销钉层141的组成少于Co90Fe10并使Fe组分增加。具体来说，Co75Fe25等为其中一例优选实施例。
下部销钉层141所用的磁性层其膜厚较好是1.5～4纳米量级。基于钉扎层13(例如IrMn)所形成的单一方向的各向异性磁场强度及通过磁耦合层142(例如Ru)的下部销钉层141和上部销钉层143间的反铁磁性耦合磁场强度的观点。下部销钉层141过薄的话，MR变化率便变小。而下部销钉层141过厚的话，便难以得到器件动作所需的足够的单一方向的各向异性磁场。作为其中一例优选方式可列举出膜厚为3.6纳米的Co75Fe25的例子。
磁耦合层142(例如Ru)具有通过使上下磁性层(上部销钉层143和下部销钉层141)产生反铁磁性耦合来形成复合销钉结构的作用。作为磁耦合层142的Ru层其膜厚较好为0.8～1纳米。另外，只要是在上下磁性层能产生足够的反铁磁性耦合的材料，也可以用Ru以外的材料。可使用与RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida)耦合的第一峰值相对应的膜厚0.3～0.6纳米，来替代与RKKY耦合的第二峰值相对应的膜厚0.8～1纳米。这里可举出一个能得到高可靠性、耦合稳定的特性的0.9纳米的Ru。
作为一例上部销钉层143，可采用(Fe50Co50[1纳米]/Cu[0.25纳米])×2/Fe50Co50[1纳米]这种磁性层。上部销钉层143形成自旋相关散射单元其中一部分。上部销钉层143为对MR效应具有直接作用的磁性层，为了得到较大的MR变化率，此构成材料、膜厚两者均很重要。尤其是处于与隔层16的界面位置的磁性材料，在有助于自旋相关界面散射上特别重要。
现说明将这里采用的、具有bcc结构的Fe50Co50用作上部销钉层143的效果。将具有bcc结构的磁性材料用作上部销钉层143的情况下，自旋相关界面散射效应较大，因而可以实现较大的MR变化率。作为具有bcc结构的FeCo系合金，可举例FeXCo100-X(x＝30％～100％)、或FeXCo100-X中添加了添加元素的合金。其中，满足各种特性的Fe40Co60～Fe60Co40是较容易使用的材料。
上部销钉层143在由容易实现高MR变化率的、具有bcc结构的磁性层形成的情况下，该磁性层的总膜厚较好为1.5纳米或以上。这是由于稳定地确保bcc结构的缘故。自旋阀膜所用的金属材料，大多为fcc结构或fct结构，因而可能存在只是上部销钉层143具有bcc结构的情形。因此，上部销钉层143其膜厚过薄的话，便难以稳定保持bcc结构，而无法获得较高的MR变化率。
这里，采用包含极薄Cu叠层膜的Fe50Co50作为上部销钉层143。这里，上部销钉层143由总膜厚为3纳米的FeCo和每1纳米FeCo便叠层的0.25纳米的Cu所形成，总膜厚为3.5纳米。
上部销钉层143的膜厚较好是5纳米或以下。这是为了得到较大的销钉固定磁场的缘故。由于较大的销钉固定磁场和bcc结构的稳定性并存，因而具有bcc结构的上部销钉层143其膜厚最好为2.0～4纳米量级。
上部销钉层143可采用现有磁阻效应元件中广泛采用的具有fcc结构的Co90Fe10合金、具有hcp结构的钴合金。作为上部销钉层143可采用Co、Fe、Ni等单体金属或者包含其中任何一种元素的全部合金材料。作为上部销钉层143的磁性材料，按有利于得到较大的MR变化率的顺序排列，依次为具有bcc结构的FeCo合金材料、具有50％或以上钴组成的钴合金、具有50％或以上Ni组成的镍合金。
这里作为一例举出的是可采用磁性层(FeCo层)和非磁性层(极薄Cu层)交替叠层的材料作为上部销钉层143。具有这种结构的上部销钉层143可利用极薄Cu层来使称为自旋相关体散射效应的自旋相关散射效果有所改善。
“自旋相关体扩散效应”作为与自旋相关界面散射效应成对的术语而用的。所谓自旋相关体散射效应是指在磁性层内部发现MR效应的现象。自旋相关界面散射效应则指在隔层和磁性层的界面发现MR效应的现象。
下面说明磁性层和非磁性层的叠层结构对体散射效果的改善。
CCP-CPP元件中，隔层16附近可使电流收窄，因而隔层16在界面附近的电阻抗的作用非常大。也就是说，隔层16和磁性层(销钉层14、自由层18)界面的电阻占磁阻效应元件总电阻的比例较大。这表明，自旋相关界面散射效应的作用对CCP-CPP元件来说非常大和重要。也就是说，隔层16处于界面位置的磁性材料的选择与现有CPP元件情形相比较，具有重要意义。这就是如前文所述将具有自旋相关界面散射效应大的bcc结构的FeCo合金层用作销钉层143的理由。
也不能勿视用体散射效果大的材料，但为了得到更高的MR变化率这仍很重要。为了得到体散射效果极薄Cu层的膜厚较好是0.1～1纳米，较为理想的是0.2～0.5纳米。Cu层膜厚过薄的话，改善体散射效果的作用较弱。Cu层膜厚过厚的话，往往体散射效果有所减弱，而且使非磁性Cu层介于两者间的上下磁性层其磁耦合减弱，就销钉层14的特性而言便不充分。因此，作为一例优选方式举例的是采用0.25纳米的Cu。
作为磁性层间的非磁性层材料，也可以用Hf、Zr、Ti、Al等来替代Cu。而在插入上述极薄的非磁性层的情况下，FeCo等磁性层的每一层膜厚较好是0.5～2纳米量级，较为理想的是1～1.5纳米量级。
也可以采用FeCo和Cu经过合金化的层来替换FeCo层和Cu层的交替叠层结构作为上销钉部层143。作为这种FeCoCu合金，可举出例如(FeXCo100-X)100-YCuY(x＝30％～100％，y＝3％～15％左右)，但也可以采用除此以外的组成范围。这里，作为添加到FeCo的元素，也可以用Hf、Zr、Ti、Al等其他元素来替代Cu。
上部销钉层143也可以采用Co、Fe、Ni、或者其合金材料所形成的单层膜。举例来说，也可以采用以往广泛使用的2～4纳米的C090Fe10这种单层作为结构最简单的上部销钉层143。也可以在这种材料中添加其他元素。
下面说明形成广义隔层的膜的构成。下部金属层15在稍后说明的工艺过程中为用作电流通路162材料的供给源之后的残留层，作为最终形态也有未必残留的情形。
隔层(CCP-NOL)16具有绝缘层161、电流通路162。还可如前所述包含隔层16、下部金属层15、以及上部金属层17，作为广义的隔层使用。
绝缘层161由氧化物、氮化物、氧氮化物等所构成。作为绝缘层161可具有Al2O3这种非晶态结构、MgO这种结晶结构两者。为了发挥作为隔层的作用，绝缘层161其厚度较好是1～3.5纳米，较为理想的是1.5～3纳米范围。
难以如图1那样形成具有在纳米量级上具有三维结构这种复杂结构的隔层。为了实现接近理想形态的CCP结构，显示出本发明的制造方法有效。该制造方法是本发明中最为重要的部分，因而具体内容稍后说明。
作为绝缘层161所用的典型绝缘材料，具有以Al2O3为基体材料的绝缘材料、或其中加有添加元素的绝缘材料。作为添加元素具有Ti、Hf、Mg、Zr、V、Mo、Si、Cr、Nb、Ta、W、B、C、V等。上述添加元素的添加量可以在0％～50％左右范围内适当变化。作为一例可将大约2纳米的Al2O3用作绝缘层161。
绝缘层161也可以采用Ti氧化物、Hf氧化物、Mg氧化物、Zr氧化物、Cr氧化物、Ta氧化物、Nb氧化物、Mo氧化物、Si氧化物、V氧化物等来替代Al2O3这种Al氧化物。在上述氧化物的情况下，也可以用上述材料作为添加元素。而且，添加元素的添加量可以在0％～50％左右范围内适当变化。
即便是用以如上所述Al、Si、Hf、Ti、Mg、Zr、V、Mo、Nb、Ta、W、B、C为基材的氧氮化物、氮化物来替代上述氧化物，也只要是具有对电流绝缘的功能的材料就行。
电流通路162是使电流沿隔层16的膜面垂直方向流过的通路，是用以使电流收窄的通路。可以起到使电流沿绝缘层161的膜面垂直方向通过的导电体作用，由例如Cu等金属层所构成。具体来说，隔层16具有电流收窄结构(CCP结构)，可利用电流收窄效应增大MR变化率。形成电流通路162(CCP)的材料，除了Cu以外还可列举Au、Ag、Al、Ni、Co、Fe、或者包含上述元素其中至少之一的合金层的例子。作为一例电流通路162可由包含Cu的合金层形成。也可以采用CuNi、CuCo、CuFe等合金层。这里，为了高MR变化率和减小销钉层14和自由层18的层间耦合磁场(interlayer coupling field，Hin)，希望形成为具有50％或以上Cu的组成。
电流通路162是与绝缘层161相比氧、氮含量明显较少的区域(具有至少2倍或以上的氧含量差、氮含量差)，一般来说为结晶相。结晶相与非结晶相相比电阻较小，因而容易起到电流通路162作用。
上部金属层17形成广义隔层的一部分。具有对其上成膜的自由层18进行保护以避免该自由层18与隔层16的氧化物接触氧化的阻挡层作用，以及使自由层18的结晶性良好的作用。例如绝缘层161的材料为非晶态(例如Al2O3)的情况下，其上成膜的金属层的结晶性能变差，但可通过配置使fcc结晶性能良好的层(例如Cu层)(膜厚以1纳米或以下量级为宜)，可显著改善自由层18的结晶性能。
根据隔层16的材料、自由层18的材料，也可以未必设置上部金属层17。通过使退火条件最佳、选择隔层16的绝缘层161材料、自由层18的材料等，可以避免结晶特性下降，并不需要隔层16上的金属层17。
但考虑制造上的界限，较好是在隔层16上形成上部金属层17。作为一例优选方式可举出将Cu[0.5纳米]用作上部金属层17的例子。
作为上部金属层17的构成材料，除了Cu以外也可以采用Au、Ag、Ru等。上部金属层17的材料较好是与隔层16的电流通路162的材料相同。上部金属层17的材料与电流通路162的材料不同的情况下导致界面电阻增大，但只要两者为相同材料，就不至于发生界面电阻增大。
上部金属层17的膜厚较好是0～1纳米，较为理想的是0.1～0.5纳米。上部金属层17过厚的话，由隔层16收窄的电流在上部金属层17中扩展，因而电流收窄效应不够，导致MR变化率降低。
自由层18是一层磁化方向随外部磁场变化的铁磁性体层。举例来说，作为一例自由层18可举出在界面上插入CoFe采用NiFe的Co90Fe10[1纳米]/Ni83Fe17[3.5纳米]这种双层构成。这种情况下，较好是在与隔层16的界面上设置CoFe合金而非NiFe合金。为了得到较高的MR变化率，选择处于隔层16界面位置的自由层18的磁性材料很重要。另外，在不用NiFe的情况下，可以采用Co90Fe10[4纳米]单层。而且，用CoFe/NiFe/CoFe等3层构成的自由层也行。
CoFe合金等当中，也由于其软磁特性稳定，希望为Co90Fe10。采用Co90Fe10附近的CoFe的情况下，膜厚较好是0.5～4纳米。此外，较好是CoXFe100-X(x＝70～90)。
而且，作为自由层18也可以采用1～2纳米的CoFe层或Fe层和0.1～0.8纳米量级的极薄Cu层多层交替叠层的自由层。
隔层16由Cu层形成的情况下，与销钉层14同样，自由层18也将bcc的FeCo层用作与隔层16的界面材料的话，MR变化率便变大。作为与隔层16的界面材料也可采用bcc的FeCo合金来替代fcc的CoFe合金。这种情况下，可以采用容易形成bcc层的FeXCo100-X(x＝30～100)、其中添加有添加元素的材料。上述构成当中，一例优选实施例可以采用Co90Fe10[1纳米]/Ni83Fe17[3.5纳米]。
罩层19具有保护自旋阀膜的作用。罩层19可以形成为例如多层金属层，例如是Cu层和Ru层的双层结构(Cu[1纳米]/Ru[10纳米])。而且，作为罩层19也可用在Ru的自由层18一侧配置的Ru/Cu层等。这种情况下，Ru的膜厚较好是0.5～2纳米量级。这种构成的罩层19尤其是自由层18由NiFe层形成的情况下较为理想。这是因为，Ru与Ni存在非固溶的关系，因而可以降低自由层18和罩层19之间形成的界面混合层的磁致伸缩。
罩层19为Cu/Ru、Ru/Cu其中任何一种情况下，Cu层的膜厚可较好是0.5～10纳米量级，Ru层的膜厚较好是0.5～5纳米量级。Ru其比电阻值较高，因而不希望用太厚的Ru层，因而较好是选这种膜厚范围。
作为罩层19也可以设置另一金属层来替代Cu层、Ru层。罩层19的构成并未特别限定，只要是可形成罩盖自保护自旋阀膜的材料，也可以用其他材料。但有时因罩层的选择而改变MR变化率、长期可靠性，因而需要注意。Cu、Ru正是出于上述观点为理想的罩层材料例。
上电极20是沿旋阀膜的垂直方向供电用的电极。通过在下电极11和上电极20两者间加上电压，从而自旋阀膜内部在该膜垂直方向有电流流过。上部电极层20可采用低电阻的材料(例如Cu、Au、Ni、Fe等)。
(磁阻效应元件的制造方法)
下面说明本实施方式的磁阻效应元件的制造方法。
图2是示出本发明实施方式的磁阻效应元件其形成隔层15、16、17所用的制造工序的流程图。参照图2(A)～图2(G)概要说明本发明的磁阻效应元件(CCP-CPP元件)的制造方法。
如图2(A)所示，在预先形成有下电极的基底上形成底层和钉扎层(上述部分未图示)，钉扎层上成膜形成销钉层14。销钉层14上形成有形成电流通路的第一金属层m1(例如Cu)。第一金属层m1上形成有可变换为绝缘层的第二金属层m2(例如AlCu、Al)。
接着，如图2(B)和图2(C)所示，进行表面氧化处理或表面氮化处理，用以在第二金属层m2表面形成具有绝缘层和电流通路的部分CCP结构。该表面氧化处理和表面氮化处理具体可经过下面详细说明的工序来进行，但上述处理与简单的氧化处理等有所不同，如图2(B)和图2(C)所示进行用以形成第二金属层m2的绝缘层处理和对第一金属层m1赋予移动能量形成金属层(电流通路)的、形成CPP结构的结构变换处理(第一变换处理)。
图2(C)中形成的CCP结构和m1、m2一起以较薄的膜厚形成，以便很容易实现接近理想形态的CCP结构。该膜厚较厚的话，便难以实现具有图2(C)那样理想形态的CCP结构。但若保持较薄的膜厚，NOL的绝缘层作用便会不足，而且有漏电流流过，或成为静电破坏电压值较低的值，因而仍然成问题。因此，需要图2(D)其后的形成过程。
接着，如图2(D)所示与图2(A)同样形成有形成电流通路的第四金属层m4(例如Cu)。第四金属层m4上形成可变换为绝缘层的第三金属层m3(例如AlCu、Al)。
接下来，如图2(E)所示与图2(B)同样进行表面氧化处理或表面氮化处理，用以在第三金属层m3表面上形成具有绝缘层和电流通路的部分CCP结构。因此，可实现图2(F)这样的结构。该表面氧化处理和表面氮化处理具体可经过下面详细说明的工序来进行，但上述处理与简单的氧化处理等有所不同，如图2(E)和图2(F)所示进行用以形成第三金属层m3的绝缘处理和对第四金属层m4赋予移动能量来形成金属层(电流通路)的、形成CPP结构的结构变换处理(第二变换处理)。
另外，和m3、m4一起以相对较薄的膜厚形成，以便很容易实现接近理想形态的CCP结构。该膜厚较厚的话，便难以实现具有图2(F)那样的理想形态的CCP结构。只有一层这样的结构其NOL的绝缘作用不足，但由于图2(C)中已经制作了一层CCP-NOL结构，因而图2(E)所形成的CCP-NOL较薄的膜厚便足够。这样，可以通过将CCP-NOL形成过程分为两个阶段，来实现图2(F)这样的接近理想形态的CCP-NOL结构。
接着，如图2(G)所示，根据需要在隔层16上形成Cu等金属层17，再在其上形成有自由层18。另外，隔层16上的金属层17具有防止其上形成的自由层受氧化影响的作用，但并不一定要设置。
可以通过采用本发明实施方式的方法，与上下层位置无关地提高贯通隔层16的绝缘层22的电流通路21的纯度，而且可以制造CCP形状上下对称性良好、具有高MR变化率、并且可靠性良好的磁阻效应元件。
另外，上述示例中设置用以在CCP-NOL结构中形成金属层(电流通路)的第四金属层m4，但本发明中该层并非是必需的组成部分。即便是金属层m4不存在的情况下，通过进行上述第二变换处理，构成第一金属层m1的原子进一步得到移动能量，在向上方移动成为绝缘层的第三金属层m3中形成电流通路。
但，通过形成上述第四金属层m4，就能很简单地以良好的状态在第三金属层m3组成的绝缘层中形成电流通路。
下面进一步详细说明上述工序。
图2(A)中，m1是形成电流通路用的材料，m2是通过氧化、氮化、或氧氮化处理变换为绝缘层的金属层。作为m1来说较好是Cu、Au、Ag、Al等金属层。作为m2来说较好是氧化、氮化时具有良好的绝缘功能的，由包含Al、Si、Mg、Ti、Hf、Zr、Cr、Mo、Nb、W其中至少一个元素的材料所形成。可以是上述金属单质，也可是合金材料。作为m1膜厚来说，较好是0.1～1.5纳米量级，作为m2膜厚来说，较好是0.3～1纳米量级。
图2(B)中，销钉(ピン)层14上形成第一金属层m1和第二金属层m2之后进行的表面氧化处理或表面氮化处理，是为了使一部分第一金属层m1渗入第二金属层m2中，并使金属层m2变换为绝缘层22所进行的工序。这样，为了在从金属变换至绝缘层的变换处理的同时，按纳米量级制作电流通路，上述表面氧化处理或上述表面氮化处理例如可按下面所述方式来实施。
首先，为了使m1渗入m2当中，需要提供原子移动能量。为此，进行氧化处理或氮化处理时，较好是利用照射处于离子状态或等离子状态的气体而产生的能量，而不只是使氧气或氮气简单地流入加工室中的自然氧化过程或自然氮化过程。而且，为了将m1形成为作为氧化物、氮化物、或氧氮化物具有良好的耐绝缘性的材料，较好是氧化处理和氮化处理也按提供能量的状态来形成。
出于这种观点，较好是将氩气、氙气、氦气、氖气、氪气等气体离子处理或等离子处理，并在这种离子处理气体介质或等离子气体介质中提供氧气、氮气等，并且在受到所述气体介质中离子、等离子辅助的状态下，进行所述氧化处理和氮化处理(第一种方法)。
而且，上述氧化处理和氮化处理中，为了有效实施上述辅助，较好是实施下面所述的多道工序。
(I)在上述第一方法中的氧化处理或氮化处理之后，对膜表面照射上述稀有气体的离子或等离子(第二种方法)。
本方法中，实施上述第一方法中的氧化处理或氮化处理之后，对膜表面照射包含氩、氙、氦、氖、氪其中至少之任一元素的离子、或等离子。而且，作为对上述稀有气体的替代，也可照射氧或氮的离子、或等离子。
按照该方法，便可通过离子照射或等离子照射事后促进上述氧化处理和氮化处理，对例如第一金属层m1等附加进一步的移动能量，并简单地形成大小以及特性均匀的电流通路。
(II)在上述第一方法中的氧化处理或氮化处理之前，对膜表面照射上述稀有气体的离子或等离子(第三种方法)。
这种情况下，对膜表面照射包含氩、氙、氦、氖、氪其中至少之任一元素的稀有气体的离子或等离子。这种情况下，也可以对例如第一金属层m1等预先附加移动量能，可以通过经过后续的氧化处理等简单地形成大小以及特性均匀的电流通路。
(III)在上述第一方法中的氧化处理或氮化处理的前后，对膜表面照射上述稀有气体的离子或等离子(第四种方法)。
该法是将上述方法(I)和方法(II)组合后得到的方法。因而，第一种方法中的氧化处理或氮化处理之后的离子或等离子照射可与上述(I)情形同样地进行，因而，第一种方法中的氧化处理或氮化处理之前的离子或等离子照射可与上述(II)情形同样地进行。
下面具体说明如上所述过程中(I)的氧化处理等之后进行的处理或(II)的氧化处理等之前所进行的处理的离子束或等离子的照射条件(第二种方法～第四种方法)。
对上述稀有气体进行离子处理时、或进行等离子处理时，较好是将加速电压V设定为+30～130V，将束电流Ib设定为20～200mA。这些条件与进行离子束蚀刻时的条件相比较的话，为明显较弱的条件。这里，采用离子束，但用RF等离子这类等离子替代离子束，也可完全同样地进行制作。
离子束的入射角度，将相对于膜面垂直入射的情形定义为0°，而相对于膜面平行入射的情形定义为90°，因而在0°～80°范围内适当变更。该工序的处理时间较好是15秒～180秒，从控制性等观点出发较为理想的是30秒或以上。处理时间过长的话，CCP-CPP元件的生产效率差，因而不理想。出于上述观点，处理时间最好是30秒～180秒。
通过照射具有如上所述能量的离子束，第一金属层m1的构成原子得到较高移动能量而往上吸渗入第二金属层m2中，便形成电流通路。
如上所述，作为第二金属层m2来说，可采用AlCu、Al。将不含Cu的Al用作第二金属层m2的情况下，只产生从第一金属层m1的Cu往上吸。作为第二金属层m2来说，可采用Al以外的金属材料。举例来说，作为第2金属层m2可以采用可变换为稳定氧化物的Si、Hf、Zr、Ti、Mg、Cr、Mo、Nb、W等。
接着，就利用离子或等离子时的具体条件说明上述氧化处理(第一种方法和第二种方法～第四种方法中的步骤)。这时的离子或等离子的照射条件较好是将加速电压V设定为+40～200V，将束电流Ib设定为30～300mA。氧化处理时间较好是15秒～300级，较为理想的是20秒～180秒。用较强的离子束时缩短处理时间，而用较弱的离子束时则延长处理时间。
氧化时曝氧量的较佳范围，采用离子或等离子的氧化处理时为1000～5000L(1L＝1×10-6Torr秒)，自然氧化时则为3000～30000L。
可通过在图2所示的各工序中用如上所述的适当条件来实现接近理想形态的CCP结构。
图2(D)中，m3、m4可以是与m1、m2分别相同的材料，也可不同。一般来说，用相同材料为优选实施方式。具体来说，m4可由包含Cu、Au、Ag、Al其中至少之任一元素的金属层来形成，作为m3来说较好是由氧化、氮化时具有良好绝缘功能的Al、Si、Mg、Ti、Hf、Zr、Cr、Mo、Nb、W其中至少之任一元素的材料所形成。可以是上述金属单质，为合金材料也行。
作为m3的膜厚来说，较好是0.1～1.5纳米量级，作为m4的膜厚来说，较好是0.3～1纳米量级。
另外，以上所述中，专门记载有进行氧化处理时的具体条件，但氮化处理也可以采用类似条件。
图2(G)中，形成有上部金属层17、自由层18，但作为上部金属层17来说，可以与构成CCP的材料相同，也可为为不同种类的材料。作为优选方式来说，Cu、Au、Ag、Al等为理想的实施方式。作为上部金属层17来说，0～1纳米为优选值。
图3示出制造本发明实施方式的磁阻效应元件(CCP-CPP元件)用的装置的概要构成。如图3所示，以输送室(TC)50为中心，通过各自的真空阀设置有装载固定室51、预净化室52、第一金属膜形成室(MC1)53、第二金属膜形成室(MC2)54、氧化室(OC)60。该装置可在通过真空阀连接的各工作室之间在真空中输送基底，因而可保持基底表面洁净。
金属膜形成室43、54具有多个(5～10个)靶标。成膜方式可列举出DC磁控溅射、RF磁控溅射等溅射法，离子束溅射法，蒸镀法，CVD(化学气相沉积)法，以及MBE(分子束外延)法等例子。
表面氧化处理可利用离子束机构、RF等离子机构、或具有加热机构的工作室，而且需要与金属膜形成室分开。
作为上述真空室的典型真空度数值，是10-9Torr左右，可允许10-8Torr左右的值。
本发明中具有特征的m1、m2、m3、m4的薄膜形成可在金属膜形成室53、54之任一中进行，表面氧化处理在氧化室60中进行。m1、m2形成薄膜后通过输送室50将晶片输送至氧化室60进行氧化处理。然后输送至金属膜形成室53、54中之任一，形成m3、m4膜以后，再次通过输送室50将晶片输送至氧化处理室60，进行氧化处理。然后，输送至金属膜形成室53、54中之任一形成上部金属层17、自由层18。
图4是图3所示的氧化室60构成的一个例子。这里，氧化室60为具有离子束的工作室。如图所示，氧化室60由真空泵61抽真空，并从供氧管62将由质量流量控制器(MFC)63进行流量控制的氧气导入氧化室60。氧化室60内设置有离子源70。离子源的形式可列举出ICP(电感耦合等离子)型、电容耦合等离子型、ECR(电子回旋加速器谐振)型、考夫曼(Kauffmann)型等。配置基底保持座80和基底1使其与离子源70对向。
在来自离子源70的离子的射出口处设置有对离子加速度进行调整的3片栅极71、72、73。离子源70的外侧设置有对离子进行中和的中和器74。基底保持座80以可倾斜地支持。离子至基底1的入射角度可在较宽范围内改变，但典型的入射角度值为15°～60°。
该氧化室60中，可以通过对基底1照射Ar这类离子束，随同采用离子的表面氧化处理进行能量促进，可以通过在从供氧管62供给氧气的同时对基底1照射Ar这类离子束，进一步促进从金属层变换至氧化层。
这里作为氧化室尽管是具有离子束的工作室，但为RF等离子工作室等也具有完全同等的效果。不论哪一种，都如前文所述需要在表面氧化处理过程中进行提供能量的处理，因而需要在可产生离子或等离子的工作室中进行表面氧化处理。
此外，作为提供能量用的手段，也可进行加热处理。这种情况下，有时以100℃～300℃的温度进行几十秒至几分钟的处理。也可以作为表面氧化处理的一个环节进行该处理。
(磁阻效应元件的制造方法的总体说明)
下面利用图1详细说明磁阻效应元件的总体制造方法。
首先，在基底(未图示)上依次形成下电极11、底层12、钉扎层13、销钉层14、下部金属层15、隔层16、上部金属层17、自由层18、罩层19、以及上电极20。
接着，用图3这种装置构成将基底设置于装载固定室51中，分别在金属膜形成室53或54中形成金属膜，在氧化物层及氮化物层形成室60中进行氧化。金属膜形成室所达到的真空度较好为1×10-8Torr或以下，一般来说为5×10-10Torr～5×10-9Torr量级。输送室50所达到的真空度为10-9Torr量级。氧化物层及氮化物层形成室60所达到的真空度为8×10-8Torr或以下。
(1)底层12的形成
基底(未图示)上预先通过精细加工工艺形成有下电极11。下电极11上形成例如Ta[5纳米]/Ru[2纳米]，作为底层12。如前文所述，Ta为用以缓和下电极粗糙的缓冲层12a。Ru为对形成于其上的自旋阀膜的结晶取向和结晶粒径进行控制的籽晶层12b。
(2)钉扎层13的形成
底层12上形成钉扎层13。作为钉扎层13的材料来说，可以采用PtMn、PdPtMn、IrMn、RuRhMn等反铁磁性材料。
(3)销钉层14的形成
钉扎层13上形成销钉(ピン)层14。销钉层14可以为由例如下部销钉层141(Co90Fe10)、磁耦合层142(Ru)、以及上部销钉层143(Co90Fe10[4纳米])组成的复合销钉层。
(4)隔层16的形成
接着形成具有电流收窄结构(CCP结构)的隔层(CCP-NOL)16。这为本发明中最具特征的工序，因而下面具体说明。
首先，为了形成隔层16，在金属膜形成室中形成销钉层14之后，输送至氧化物层及氮化物层形成室60，在60内进行处理。
这里叙述隔层16的理想形态。作为隔层16，希望实现相对较厚的隔层16。作为其理由有，通过使标准和绝缘层膜厚变厚，往往可完全抑制电流通路层以外原本必须起到绝缘层作用的区域有漏电流流过的现象，并可发挥更强的CCP效应，实现更为牢靠的可靠性。而且，通过绝缘层膜厚变厚，从而绝缘层的绝缘耐压提高，因而可使ESD(静电电荷)等抗静电破坏的性能提高。ESD耐压高，关系到将磁头组装到HDD中时成品率的提高。
象这样可靠性性能有较大的提高，不仅是HDD制造，而且也可使各种状况的破坏耐受性、耐热性有所提高，因而适合作为需要高可靠性的服务器、企业级用途的磁头。不只是简单提高记录密度的高可靠性磁头，在近些年HDD用途普及的状况下变得愈加重要。磁头寿命的延长这一点，因HDD使用环境变宽而变得非常重要。这种高可靠性的磁头，作为热环境严酷的汽车导航用HDD来说非常有效。
当然，具有这种高可靠性的磁头，不仅是上面所述的高附加值的HDD，而且可以用作民用用途的普通PC、便携式音乐播放器、移动电话等的HDD。
另外，如上所述希望形成膜厚较厚的隔层，但其实现的工艺不容易。作为一种现有的隔层16形成方法有例如日本专利申请2004-233641等。但现有工艺中伴随而来的是难以形成较厚的隔层。这很容易想象出，当想将将m1往m2中吸这种工序时，较厚的膜厚便会无法达到从膜表面开始的能量处理。
另一方面，为了提供足够的能量而过分加大离子束、等离子能量的话，这样就会因蚀刻而发生剥落，并非将m1上吸到m2中，单独蚀刻m2而剝落，极端的情况下甚至会发生无法随m2、m1一起蚀刻。这会造成完全没有能量促进效果。
由上面可知道，伴随而来的是难以用现有的工艺形成较厚的隔层16。
另一方面，形成较薄的隔层16相对较容易，但这无法充分发挥CCP的作用。举例来说，原本应起到绝缘层作用的部分也会有隧道电流流过，这就是漏电流。而且，绝缘层膜厚较薄的话，绝缘耐压便会变弱，因而ESD等也变弱，制造工序上需要作各种加工，会引起成品率降低。
这样，在现有工艺中，需要这样一种磁头，该磁头在实用方面发挥充分的作用的，要求高可靠性的用途、或进一步提高制造成品率的观点上，具有更高的可靠性。
为了解决这种问题，通过采用如上所述的本发明的制造方法，构成隔层的绝缘层膜厚增大，从而可以完全抑制漏电流流过所述隔层中所形成的电流通路层以外原本应起到绝缘层功能的区域。因此，可以发挥更强的CCP效应，并实现更为牢靠的可靠性。而且，绝缘层膜厚较厚，因而绝缘层的绝缘耐压提高，所以可使静电电荷(ESD)等抗静电破坏的性能提高。
为了形成本发明的隔层16，采用图2所示这种步骤。这里，以形成隔层16该隔层16在具有非晶态结构的由Al2O3所形成的绝缘层161中包含具有金属结晶结构的由Cu所形成的电流通路162，以这种情形为例具体说明。
首先，上部销钉层143上形成成为电流通路的供给源的金属层m1(例如Cu)以后，下部金属层m1上形成作为绝缘层161的一部分变换的被氧化金属层m2(例如AlCu、Al)。
接着，对被氧化金属层进行变换处理。该变换处理可经过如上所述的氧化处理或氮化处理来进行。而且，这种变换处理可经过多个步骤来实施。举例来说，作为变换处理的第一步骤，照射稀有气体(例如Ar)的离子束。将该处理称为PIT(预离子处理)。该PIT的结果是，下部金属层其中一部分上吸渗入到被氧化金属层中。作为一种进行能量处理所用的手段，PIT很有效。
另外，作为提供上述能量的另一手段，对膜表面进行加热等的手段也很有效。这时，有以100℃～300℃温度进行加热的手段等。而且，也可以是如前文所述用氧气变换为氧化膜之后，再用Ar等稀有气体进行能量处理的方法。将该后续处理称为AIT(后离子处理)。
而且，除了上述PIT等以外，本例中在上述离子束等存在的情况下提供氧气、氮气等，并在得到能量促进的状态下进行氧化处理或氮化处理。上述处理为本发明主流，例如称为IAO(离子束促进氧化)等。
通过经如上所述处理，可将第一金属层m1的Cu上吸至AlCu层中，第二金属层m2可从金属状态变换至绝缘层状态。
PIT和AIT按加速电压30～150V、束电流20～200mA、处理时间30～180秒的条件照射Ar离子。上述加速电压当中，较好是40～60V电压范围。在比这高的电压范围的情况下，由于PIT、AIT以后表面粗糙等的影响，有时发生MR变化率降低的情形。而作为电流值来说，可在30～80mA的范围内利用，作为照射时间来说，则可在60～150秒的范围内利用。
此外，作为PIT、AIT处理的替代，也有以偏置溅射法形成AlCu、Al等的作为绝缘层161的一部分变换之前的金属层这种方法。这种情况下，偏置溅射的能量，在直流偏置的情况下可设定为30～200V，而在RF偏压的情况下可设定为30～200W。
另外，IAO按加速电压40～200V、束电流30～200mA、处理时间15～300秒条件照射Ar离子。上述加速电压当中，较好是50～100V电压范围。加速电压比这高的话，由于PIT以后表面粗糙等的影响，有可能发生MR变化率降低。而作为束电流来说，可利用40～100mA，作为照射时间来说，则可采用30～180秒。
作为IAO氧化时的供氧量来说，1000～3000L为优选范围。IAO时不仅是Al，而且氧化至下部磁性层(固定层14)的话，CCP-CPP元件耐热性、可靠性降低便不理想。为了提高可靠性，处于隔层16下部位置的磁性层(销钉层14)不氧化，而处于金属状态这一点很重要。为了实现这一点，需要将供氧量设定为上述范围。
而且，为了利用所提供的氧形成稳定的氧化物，希望仅在对基底表面照射离子束的期间使氧气流过。也就是说，希望未对基底表面照射离子束时不使氧气流过。
经过上述这种处理之后，形成具有例如Al2O3所形成的绝缘层161和Cu所形成的电流通路162的隔层16其中一部分。是一种利用Al容易氧化、Cu难以氧化，两者氧化能量之差的处理。
就以上为止的工艺而言，与日本专利申请2004-233641相同，但本发明中，为了实现更为接近理想形态的CCP结构，m1、m2的膜厚都采用较薄的膜厚。由于减薄，所以能更为容易地实现形态良好的CCP结构。
作为具体的m1膜厚来说，较好是0.1～1.5纳米量级，而作为m2的膜厚来说，较好是0.3～1纳米量级。
作为形成电流通路的第一金属层m1(下部金属层15)的材料，也可以采用Au、Ag、Al、或者包含上述元素其中至少之一的金属来替代Cu。但与Au、Ag相比，Cu其相对于热处理的稳定性高，因而较为理想。作为第一金属层m1的材料，也可以用磁性材料来替代上述非磁性材料。作为磁性材料来说，可列举Co、Fe、Ni、或者其合金。
第二金属层m2用Al90Cu10的话，PIT工序中不仅往上吸第一金属层m1中的Cu，还使AlCu中的Cu与Al分离。也就是说，由第一、第二金属层m2两者形成电流通路162。在PIT工序之后进行离子束促进氧化的情况下，利用离子束的促进效果促进Al和Cu的分离，同时进行氧化。
作为第二金属层m2也可以用不含电流通路162的构成材料Cu的Al单质金属来替代Al90Cu10。这种情况下，电流通路162的构成材料Cu仅由底层的第一金属层m1提供。第二金属层m2用AlCu的情况下，PIT工序中也从第二金属层m2提供电流通路162的材料Cu。因此，即便是形成较厚的绝缘层161的情形，也能够相对容易地形成电流通路162。在用Al作为第二金属层m2的情况下，难以将Cu混入通过氧化形成的Al2O3中，因而容易形成耐压高的Al2O3。Al、AlCu各有优势，因而可根据情况分别使用。
第二金属层m2的膜厚，在AlCu、Al的情况下较好是0.3～1纳米量级。该膜厚范围也包含想要仅用m1、m2形成隔层16时所称的过薄的膜厚范围。举例来说，用0.3纳米Al的情况下，仅据此终止隔层16形成的话，便为厚度不足的膜厚。但如稍后所述，再一次利用其他工艺来形成隔层16，到本步骤为止形成隔层16的一部分，因而如上所述较薄的膜厚从形成CCP这种观点来看为理想范围。
作为第二金属层m2的AlCu，较好是具有能按AlXCu100-X(x＝100～70)表示的组成。AlCu也可以添加Ti、Hf、Zr、Nb、Mg、Mo、Si等元素。这种情况下，添加元素的组分较好是2％～30％左右。添加上述元素的话，有可能CCP结构的形成变得很容易。而且，Al2O3的绝缘层161和Cu的电流通路162两者间的边界区域内上述添加元素的分布比其他区域富集的话，很有可能提高绝缘层161和电流通路162的贴紧性能，从而提高承受电迁移(electro-migration)的性能。
CCP-CPP元件中，隔层16的金属电流通路所流过的电流其密度为107～1010A/cm2这种巨大值。因此，电迁移的承受性较高，可确保电流通电时Cu电流通路162的稳定性很重要。但若能形成适当的CCP结构，即便对第2金属层m2不加元素，也可实现足够良好的电迁移(electro-migration)的承受性。
第二金属层m2的材料不限于形成Al2O3用的Al合金，也可以是以Hf、Mg、Zr、Ti、Ta、Mo、W、Nb、Si等为主要成分的合金。而且，由第二金属层m2变换的绝缘层161不限于氧化物，也可以是氮化物、氧氮化物。
不论用何种材料作为第二金属层m2，成膜时的膜厚较好是0.5～2纳米，变换为氧化物、氮化物、或氧氮化物时的膜厚较好是0.8～3.5纳米量级。
绝缘层161不仅是含各自单质元素的氧化物，也可以是合金材料的氧化物、氮化物、氧氮化物。举例来说，以Al2O3为母材，也可以用Ti、Mg、Zr、Ta、Mo、W、Nb、Si等其中之任一元素、或者Al中含有0～50％多个元素的氧化物材料等。
而且，第三金属层m3膜厚较好是0.3～1.0纳米，而第四金属层m4膜厚较好是0.1～1.5纳米。对于该第三金属层m3和第四金属层m4来说也进行与上述情形同样的变换处理。第三金属层m3可以由AlCu、Al构成，第四金属层m4可以由Cu等构成。
如上所述，本例中分别对第一金属层m1和第二金属层m2以及第三金属层m3和第四金属层m4进行变换处理，以便以两个阶段的变换处理构成隔层。因而可以呈较厚的CCP结构的层构成所述隔层。
而且，上述具体例中按两个阶段实施变换处理，但当然可实施3个阶段或以上的变换处理来形成CCP型隔层。但在现实要求的CPP结构的磁阻效应元上件，可仅经过上述两个阶段的变换处理得到所要实现的特性的CPP结构的磁阻效应元件。
(5)上部金属层17、自由层18的形成
接着在隔层16上形成例如Cu[0.25纳米]作为上部金属层17。理想的膜厚范围为0.2～1.0纳米量级。用0.25纳米量级的话，便有容易提高自由层18结晶性这种优势。但也可择情不形成该上部金属层。
上部金属层17上形成有自由层18，例如Co90Fe10[1纳米]/Ni83Fe17[3.5纳米]。为了得到较高的MR变化率，处于与隔层16的界面位置的自由层18其磁性材料的选择相当重要。这种情况下，与隔层16的界面上最好设置CoFe合金而非NiFe合金。CoFe合金当中也可以采用尤其是软磁特性稳定的Co90Fe10[1纳米]。其他组成中也可采用CoFe合金。
采用Co90Fe10附近的CoFe合金的情况下，最好是将膜厚设定为0.5～4纳米。采用其他组成的CoFe合金(例如Co50Fe50)的情况下，最好是将膜厚设定为0.5～2纳米。为了提高自旋相关界面散射效果，例如将Fe50Co50(或FeXCo100-X(x＝45～85))用于自由层18的情况下，为了维持作为自由层18的软磁性，销钉层14这种较厚的膜厚难以使用。因此，0.5～1纳米为理想的膜厚范围。在采用不含Co的Fe的情况下，软磁特性相对良好，因而可以将膜厚设定为0.5～4纳米量级。
CoFe层上设置的NiFe层由软磁特性稳定的材料所形成。CoFe合金的软磁特性没有如此稳定，但可以在其上设置NiFe合金来补充软磁特性。将NiFe用作自由层18，可使用在与隔层16的界面处可实现高MR变化率的材料，自旋阀膜的总体特性方面较为理想。
NiFe合金的组成最好是NiXFe100-X(x＝78～85)。这里，最好是用富Ni组成(例如Ni83Fe17)，而不是通常所用的NiFe的组成Ni81Fe19。这是用以实现零磁致伸缩。CCP结构的隔层16上形成薄膜的NiFe，与金属Cu制的隔层上形成薄膜的NiFe相比，磁致伸缩更为偏移至正侧。为了抵消磁致伸缩偏移至正侧，而采用Ni组成比通常多的负侧NiFe组成。
NiFe层的总体膜厚最好为2～5纳米量级(例如3.5纳米)。在不用NiFe层的情况下，也可以用1～2纳米的CoFe层或Fe层和0.1～0.8纳米量级的极薄Cu层多层交替叠层得到的自由层18。
(6)罩层19和上电极20的形成
自由层18上叠层例如Cu[1纳米]/Ru[10纳米]作为罩层19。罩层19上形成有对自旋阀膜垂直供电用的上电极20。
[实施例]
(实施例1)
下面说明本发明实施例。以下示出本发明实施例的磁阻效应膜10的构成。
*下电极11
*底层12：Ta[3纳米]/Ru[2纳米]
*钉扎层13：Ir22Mn78[7纳米]
*销钉(ピン)层14：Co90Fe10[3.6纳米]/Ru[0.9纳米]/(Fe50Co50[1纳米]/Cu[0.25纳米])×2/Fe50Co50[1纳米]
*金属层15：Cu[0.1纳米]
*隔层(CCP-NOL)16：Al2O3的绝缘层161和Cu的电流通路162
*金属层17：Cu[0.25纳米]
*自由层18：Co90Fe10[1纳米]/Ni83Fe17[3.5纳米]
*罩层19：Cu[1纳米]/Ru[10纳米]
*上电极20
CCP-NOL的制作方法
下面稍稍具体说明本发明具有特征的CCP-NOL的制作方法。从形成膜至销钉层14为止，并从将基底输送至氧化室60的状态开始说明。
首先，作为图2(A)步骤，形成Cu膜0.3纳米作为m1，形成AlCu膜0.6纳米作为m2。
作为图2(B)步骤，进行第1阶段的变换处理。作为具体的变换处理，按照如下所述的多个步骤进行。首先，在对试样表面照射Ar离子束的状态下使氧气流至氧化室。Ar离子束的能量用60V(IAO)。然后，停止氧气流动，仅进行Ar离子束的照射。这时的Ar离子束条件与氧化时所用的条件完全相同。进行60秒的离子束照射(AIT)。因此，可形成如图2(C)所示这种方式。
接着，作为图2(D)步骤，形成Cu膜0.3纳米作为m3，形成AlCu膜0.6纳米作为m2。
接下来，作为图2(E)的工艺，进行第2阶段的变换处理。作为具体的变换处理，以如下所述的多个步骤进行。首先，在对试样表面照射Ar离子束的状态下使氧气流至氧化室。Ar离子束的能量用60V(IAO)。然后，停止氧气流动，仅进行Ar离子束的照射。这时的Ar离子束条件与氧化时所用的条件完全相同。进行60秒的离子束照射(AIT)。最终，可形成如图2(F)所示的方式。
作为图2(G)的工艺，形成0.25纳米的上部金属层17，完成隔层15、16、17。
这里，图中示出的构成为使CCP-CPP元件完全形成膜之后进行的热处理的最终形态，因而也有在CCP-CPP元件形成膜中的阶段当中未成为图中示出的最终构成的情形。实际上利用至CCP-CPP膜罩层形成所有的膜后所进行的热处理也有能量促进效果，因而在热处理结束的状态下成为最终形态。热处理条件为按290度温度进行4小时。
隔层形成一结束，就从氧化室60输出，输送至金属膜形成室。在金属膜形成室形成自由层。
(实施例的评价)
将实施例与对比例一起评价。
作为对比例，对进行图5所示的现有工艺的情形加以比较。对比例中，m1的膜厚为实施例m1和m3膜厚之和即形成0.6纳米的Cu，对比例m2的膜厚为实施例m2和m4膜厚之和即形成1.2纳米的AlCu。
作为变换处理过程，仅进行一次与实施例所进行的变换处理过程完全相同的过程。也就是说，在IAO/AIT过程中制作隔层。
这里，作为评价特性的供电方向，设定为电流从销钉层14流至自由层18的方向。也就是说，作为电子流来说，由于为相反方向，因而从自由层18流至销钉层14。这种供电方向降低自旋转换噪声，因而为理想的方向。其中电流从自由层18流至销钉层14(电子的流动则从销钉层流至自由层)的情形可以说自旋转换转矩效应较大，为磁头产生噪声的来源。从这种观点出发，供电方向从销钉层流至自由层的方向为所希望的构成。
对实施例的CCP-CPP元件的特性进行评价时，RA＝500mΩ/微米2，MR变化率＝9％。而对对比例的CCP-CPP元件的特性进行评价时，RA＝900mΩ/微米2，MR变化率＝7％。两者均与形成后的NOL膜厚度大体相等无关，可以确认RA、MR变化率实施例较对比例存在优势明显的差异。
这里，为了调查出现如上所述差异的原因，用三维原子探头对实施例和对比例进行对比研究。所谓三维原子探头，是将试样加工为针状，将该试样设置于真空室内，对试样加上高电压，使其前端的原子逐个发生电场蒸发，按原子序分析三维纳米结构的破坏性试验方法。
其结果是，在对比例的情况下，电流通路21的上部其电流通路开口面积会变小，而且氧浓度会比电流通路21的下部多。具体来说，会因电流通路而在上下存在20％或以上的面积差异。这里，作为对电流通路下部和上部的定义，将基底侧设定为0、膜表面一侧设定为100时，下部其在电流通路膜厚方向的膜厚不足50的部位称为电流通路下部，而50或以上的部位则称为电流通路的上部。
而且，也可以发现电流通路21的Cu纯度在电流通路21的上部或下部存在差异。具体来说，其中电流通路上部与电流通路下部相比，大多为Cu中所含的氧浓度为10原子％或以上。在电流通路21的Cu纯度较差的情况下，CCP效应会较薄、性能会变差。而且，这种形状的上下非对称性也引发因通电方向造成的可靠性差异，因而不理想。
而实施例的情况下，不论是电流通路21的上部，还是下部，电流开口面积均没有20％这种差异，可均匀形成。而且，电流通路的氧浓度不论是上部还是下部均不会产生10原子％这种较大差异。
作为产生这种差异的原因可认为，在对比实施例的情况下，对作为m2膜厚1.2纳米的AlCu进行表面氧化的情况下，对m1的Cu的上吸未达到完全的状态，而处于不完全状态所造成的。就氧浓度而言，在m2膜厚过厚的情况下，进行表面氧化时，上部的氧浓度比下部高。
而且，贯通绝缘层161的电流通路162其直径为1～10纳米量级，较好为2～6纳米量级。大于直径10纳米的电流通路162形成为较小的元件尺寸时，由于成为每一元件特性偏差的原因，因而不理想，希望直径大于6纳米的电流通路162。
(实施例2)
实施例1中说明的是具有底型自旋阀膜的CPP结构的磁阻效应元件，但本实施例中说明具有顶型自旋阀膜的CPP结构的磁阻效应元件。顶型自旋阀膜中，销钉层14配置于自由层18的上方。也就是说，SCT不仅可适用于销钉层14处于自由层18下方位置的CCP-CPP元件，而且可适用于顶型CCP-CPP元件。这种情况下，对本发明形成具有特征的隔层16的过程完全相同。图1中，作为对上部销钉层的替代，自由层成为隔层的底层，对图1中自由层18的替代，与销钉层14相当的层便可配置于隔层的上层。
具体为如以下所述的一例构成。
*下电极11
*底层12：Ta[3纳米]/Ru[2纳米]
*自由层18：Ni83Fe17[3.5纳米]/Co90Fe10[1纳米]
*金属层15：Cu[0.5纳米]
*隔层(CCP-NOL)16：Al2O3的绝缘层161和Cu的电流通路162
*金属层17：Cu[0.25纳米]
*销钉(ピン)层14：(Fe50Co50[1纳米]/Cu[0.25纳米])×2/Fe50Co50[1纳米]/Ru[0.9纳米]/Co90Fe10[3.6纳米]
*钉扎层13：Ir22Mn78[7纳米]
*罩层19：Cu[1纳米]/Ru[10纳米]
*上电极20
如上所述，在制造顶型CCP-CPP元件的情况下，处于底层12和罩层19两者间的各层可按与图2大体相反的顺序形成膜。但下部金属层15和上部金属层17因与隔层16的制作等的关系，其顺序并未相反。也就是说，m1、m2、m3、m4的作用不论是底型还是顶型均完全相同。
(磁阻效应元件的应用)
下面说明本发明实施方式的磁阻效应元件(CCP-CPP元件)的应用。
本发明的实施方式中，CPP元件的元件电阻抗出于适应高密度的考虑，较好是500mΩ/微米2或以下，更为理想的是300mΩ/微米2或以下。在计算元件阻抗RA的情况下，是将自旋阀膜的供电部分的实际有效面积A与CPP元件的阻抗R相乘。这里，元件电阻R可直接测定。另一方面，自旋阀膜的供电部分其实际有效面积A为与元件结构相关的数值，因而在其决定时要加以注意。
举例来说，在对自旋阀膜的整体制作布线图案作为实际有效的检测的区域的情况下，自旋阀膜整体的面积为实际有效面积A。在这种情况下，从适当设定元件阻抗的观点出发，将自旋阀膜的面积设定为至少0.04微米2或以下，记录密度300Gbpsi或以上的为0.02微米2或以下。
但，在与自旋阀膜相接形成其面积比自旋阀膜小的下电极11或上电极20的情况下，下电极11或上电极20其面积成为自旋阀膜的实际有效面积A。在下电极11或上电极20面积不同的情况下，其中小的电极面积为自旋阀膜的实际有效面积A。这种情况下，从适当设定元件电阻的观点出发，其中较小的电极其面积设定为至少0.04微米2或以下。
在稍后所述的图6、图7中的实施例的情况下，图6中自旋阀膜10的面积最小处为与上电极20相接触的部分，因而可将其宽度考虑为记录磁道宽度Tw。而且，相对于高度方向而言，图7中与上电极20相接触的部分仍最小，因而可将其宽度考虑作为高度D。自旋阀膜的实际有效面积A可考虑为A＝Tw×D。
本发明实施方式的磁阻效应元件，可以使电极间的电阻R为100Ω或以下。该电阻R是例如磁头万向架组件(HGA)其前端安装的再生磁头部的两个电极衬垫之间所测定的电阻值。
本发明实施方式的磁阻效应元件中，销钉层14或自由层18为fcc结构的情况下，希望具有fcc(111)取向性。销钉层14或自由层18具有bcc结构的情况下，希望具有bcc(110)取向性。层销钉14或自由层18具有hcp结构的情况下，希望具有hcp(001)取向性或hcp(110)取向性。
本发明实施方式的磁阻效应元件的结晶取向性，希望取向的偏差角度为4.0°以内，更理想的为3.5°以内，最理想为3.0°以内。这是通过X射线衍射θ-2θ测定得到的峰值位置的同步锁定(ロツキング)曲线作为半幅值求得的。而且，可以作为来自元件断面的纳米衍射光斑的光斑扩散角度来检测。
尽管也与反铁磁性膜的材料相关，但一般来说反铁磁性膜和销钉层14/隔层16/自由层18晶格间距有所不同，因而可对各层分别算出取向的随机偏差角度。举例来说，铂锰(PtMn)和销钉层14/隔层16/自由层18大多晶格间距有所不同。铂锰(PtMn)为相对较厚的膜，因而是适合测定结晶取向的随机偏差的材料。就固定层14/隔层16/自由层18来说，销钉层14和自由层18的结晶结构也往往如同bcc结构和fcc结构那样有所不同。这种情况下，销钉层14和自由层18便分别具有别的不同的结晶取向的扩散角。
(磁头)
图6和图7示出将本发明实施方式的磁阻效应元件组装到磁头中的状态。图6是在相对于与磁记录媒体(未图示)对置的媒体对向面大体平行的方向上剖切磁阻效应元件的剖面图。图7是在相对于媒体相向面ABS垂直的方向上剖切该磁阻效应元件的剖面图。
图6和图7例示的磁头具有所谓的硬对接(hard abutted)结构。磁阻效应膜10为上述CCP-CPP膜。磁阻效应膜10的上下分别设置有下电极11和上电极20。图6中磁阻效应膜10的两侧面叠层设置有偏置磁场施加膜41和绝缘膜42。如图7所示，磁阻效应膜10的媒体对向面设置有保护层43。
对于磁阻效应膜10的读出电流利用其上下配置的上电极20、下电极11按相对于膜面大体垂直的方向供电。而且，利用左右设置的一对偏置磁场施加膜41、41，对磁阻效应膜10加上偏置磁场。利用该偏置磁场，可控制磁阻效应膜10的自由层18的磁各向异性进行单磁畴化来使其磁畴结构稳定，抑制伴随磁壁移动而产生的巴克豪森噪声(Barkhausennoise)。磁阻效应膜10的S/N比提高，因而应用于磁头的情况下可进行高灵敏度的磁再生。
(硬盘和磁头万向架组件)
图6和图7所示的磁头可组装到记录再生一体型的磁头万向架组件，再装到磁记录再生装置上。
图8是例示这种磁记录再生装置的概要构成的主要部分立体图。也就是说，本实施方式的磁记录再生装置150是用旋转执行机构器这种形式的装置。该图中，磁盘200安装到主轴152上，利用与图中未示出的驱动装置控制部的控制信号响应的图中未示出的电动机按箭头A方向旋转。本实施方式的磁记录再生装置150也可以包括多片磁盘200。
对磁盘200存储的信息进行记录再生的磁头滑动体153，装配到薄膜状悬浮体154的前端。磁头滑动体153将包含上述任一实施方式的磁阻效应元件的磁头装在其前端附近。
磁盘200一旦旋转，磁头滑动体153的媒体对向面(ABS)可离开磁盘200的表面保持有规定的悬浮量。或者也可以是滑动体与磁盘200相接触的所谓“接触滑行型”。
悬浮机构154与执行机构臂155一端连接。执行机构臂155另一端设置有线性电动机一种即音圈电动机156。音圈电动机156由绕线管部分上所卷绕的未图示的驱动线圈、及相向配置成夹住该线圈的永久磁铁和对向磁轭形成的磁路所构成。
执行机构臂155由主轴157的上下两个部位设置的图中未示出的滚珠轴承所保持，可利用音圈电动机156自由旋转滑动。
图9是从盘片侧观察执行机构臂155至先前的磁头万向架组件的放大立体图。具体来说，组件160具有执行机构臂155，执行机构臂155其中一端连接有悬浮机构154。悬浮机构154的前端装配有磁头滑动体153，其中具有包含上述任一实施方式的磁阻效应元件的磁头。悬浮机构154具有信号写入及读取用引线164，并将该引线164与组装到磁头滑动体153中的磁头其各个电极电连接。图中165为组件160的电极衬垫。
按照本实施方式，利用具有上述磁阻效应元件的磁头，能可靠地读取以高记录密度以磁方式记录于磁盘200中的信息。
(磁存储器)
下面说明安装了本发明实施方式的磁阻效应元件的磁存储器。也就是说，可用本发明实施方式的磁阻效应元件，来实现例如存储单元按矩阵形状配置的随机存取磁存储器(MRAM：magnetic random access memory)等磁存储器。
图10是表本发明实施方式的磁存储器其中一例矩阵构成用的图。该图表示按阵列形式配置存储单元情形的电路构成。为了选择阵列中的1位，可包括列译码器350、行译码器351，利用位线334和字线332使开关晶体管330处于导通状态，可进行唯一性的选择，通过由读出放大器352检测来读出磁阻效应膜10中的磁记录层(自由层)所记录的位信息。写入位信息时，加上使特定的写入字线323和位线322流过写入电流所产生的磁场。
图11是表示本发明实施方式的磁存储器其中另一例矩阵构成用的图。在这种情况下，可由各个译码器360、361选择按矩阵形式布线的位线322和字线334，从而选择阵列中的特定存储单元。各个存储单元具有磁阻效应元件10和二极管D串联连接的结构。这里，二极管D具有防止所选定的磁阻效应元件10以外存储单元中检测电流迂回这种作用。可通过特定位线322和写入字线323分别流入写入电流所产生的磁场进行写入。
图12是示出本发明实施方式的磁存储器其主要部分的剖面图。图13是图12中沿A-A’线的剖面图。上述图中示出的结构与图10或图11所示的磁存储器所含的1位的存储单元相对应。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和与之连接的一对布线322、324。磁阻效应元件10是上述实施方式的磁阻效应元件(CCP-CPP元件)。
另一方面，地址选择用晶体管部分312设置有通过敷镀金属夹层326和嵌埋布线328连接的晶体管330。该晶体管330根据栅极332所加上的电压进行开关动作，并控制磁阻效应元件10和布线334两者间电流通路的通断。
而且，磁阻效应元件10的下方按与布线322大体正交的方向设置有写入布线323。上述写入布线322、323可利用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钽(Ta)或包含其中任何一种的合金来形成。
这种构成的存储单元中，将位信息写入到磁阻效应元件10时，通过使写入脉冲电流流过布线322、323，并加上这些电流所感生的合成磁场，来使磁阻效应元件的记录层的磁化适当反转。
而且，读出位信息时，通过布线322、包含磁记录层的磁阻效应元件10、以及下电极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。
本发明实施方式的磁存储器，可通过采用上述实施方式的磁阻效应元件(CCP-CPP)，即便是单元尺寸精细的，也能确实控制记录层的磁畴，可确保可靠的写入，而且读出也可确实进行。
(其他实施方式)
本发明实施方式不限于上述实施方式，可扩展、修改，经过扩展、修改的实施方式也为本发明技术范围所包含。相对于磁阻效应膜的具体结构、或其他结构的电极、偏置施加膜、绝缘膜等形状、材质来说，本领域技术人员可从公知范围当中适当选择，来同样实施本发明，并可得到同样效果。举例来说，将磁阻效应元件应用于再生用磁头时，可通过在元件的上下方提供磁屏蔽，来规定磁头的检测分辨率。
而且，本发明实施方式不仅适用于纵向磁记录方式，也可以应用于垂直磁记录方式的磁头或磁再生装置。此外，本发明的磁再生装置，可以是长期包括特定记录媒体这种所谓的“固定式”磁再生装置，也可以是可替换记录媒体这种所谓的“可拆除式”磁再生装置。
此外，本领域的技术人员根据本发明实施方式对上述磁头和磁记录再生装置进行适当设计修改的全部的磁阻效应元件、磁头、磁记录再生装置以及磁存储器，同样属于本发明范围。

Claims (14)

1.一种磁阻效应元件的制造方法，该磁阻效应元件包括：磁化方向固定于一方向的磁化固定层；磁化方向与外部磁场相对应而变化的磁化自由层；以及设置于所述磁化固定层和所述磁化自由层两者间、包含绝缘层和贯通所述绝缘层的金属层的隔层，其特征在于，
当形成所述隔层时，
形成第一金属层，
在所述第一金属层上形成变换为所述绝缘层的第二金属层，
进行第一氧化或氮化处理，将所述第二金属层变换为所述绝缘层，并且形成贯通所述绝缘层的金属层，
在通过所述第一氧化或氮化处理所形成的所述绝缘层和所述金属层上形成变换为所述绝缘层的第三金属层，
进行第二氧化或氮化处理，将所述第三金属层变换为所述绝缘层，并且形成贯通所述绝缘层的金属层。
2.如权利要求1所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，当形成所述隔层时，在通过所述第一氧化或氮化处理所形成的所述绝缘层及贯通所述绝缘层的金属层、和所述第三金属层之间形成第四金属层。
3.如权利要求1或2所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述第一氧化或氮化处理和所述第二氧化或氮化处理其中至少之一通过在包含氩气、氙气、氦气、氖气、和氪气其中至少之一的气体经过离子处理或等离子处理所得到的气体介质中，供给包含氧气和氮气其中至少之一的气体，并在经过所述离子处理的气体或经过所述等离子处理的气体的气体介质下，对所述第二金属层或所述第三金属层进行氧化处理和氮化处理其中至少之一来实施。
4.如权利要求1或2所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述第一氧化或氮化处理和所述第二氧化或氮化处理其中至少之一包括：
第一步骤，在将包含氩气、氙气、氦气、氖气、和氪气其中至少之一的气体经过离子处理或等离子处理所得到的气体介质中，供给包含氧气和氮气其中至少之一的气体，在经过所述离子处理的气体或经过所述等离子处理的气体的气体介质下，对所述第二金属层或所述第三金属层进行氧化处理和氮化处理其中至少之一；以及
第二步骤，停止供给包含所述氧气和所述氮气其中至少之一的所述气体，并对包含氩、氙、氦、氖、氪、氧、和氮其中至少之任一元素的气体进行离子处理或等离子处理来照射所述第二金属层或第三金属层表面。
5.如权利要求1或2所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述第一氧化或氮化处理和所述第二氧化或氮化处理其中至少之一包括：
第一步骤，对包含氩、氙、氦、氖、和氪其中至少之任一元素的气体进行离子处理或等离子处理来照射所述第二金属层或第三金属层表面；以及
第二步骤，在将包含氩气、氙气、氦气、氖气、和氪气其中至少之一的气体经过离子处理或等离子处理所得到的气体介质中，供给包含氧气和氮气其中至少之一的气体，并在经过所述离子处理的气体或经过所述等离子处理的气体的气体介质下，对所述第二金属层或所述第三金属层进行氧化处理和氮化处理其中至少之一。
6.如权利要求1或2所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述第一氧化或氮化处理和所述第二氧化或氮化处理其中至少之一包括：
第一步骤，在将包含氩气、氙气、氦气、氖气、和氪气其中至少之一的气体经过离子处理或等离子处理所得到的气体介质中，供给包含氧气和氮气其中至少之一的气体，在经过所述离子处理的气体或经过所述等离子处理的气体的气体介质下，对所述第二金属层或所述第三金属层进行氧化处理和氮化处理其中至少之一；
第二步骤，在将包含氩气、氙气、氦气、氖气、和氪气其中至少之一的气体经过离子处理或等离子处理所得到的气体介质中，供给包含氧气和氮气其中至少之一的气体，在经过所述离子处理的气体或经过所述等离子处理的气体的气体介质下，对所述第二金属层或所述第三金属层进行氧化处理和氮化处理其中至少之一；以及
第三步骤，停止供给包含所述氧气和所述氮气其中至少之一的所述气体，并对包含氩、氙、氦、氖、和氪其中至少之一元素的气体进行离子处理或等离子处理来照射所述第二金属层或第三金属层表面。
7.如权利要求1～2中任一项所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述第一金属层由包含Cu、Au、Ag、Al其中至少之任一元素的材料所形成，所述第二、第三金属层由包含Al、Si、Mg、Ti、Hf、Zr、Cr、Mo、Nb、W其中至少之任一元素的材料所形成。
8.如权利要求2所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述第四金属层由包含Cu、Au、Ag、Al其中至少之任一元素的材料所形成。
9.如权利要求7所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述第一金属层其膜厚为0.1～1.5纳米，所述第二、第三金属层其膜厚为0.3～1纳米。
10.如权利要求8所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述第四金属层其膜厚为0.1～1.5纳米。
11.如权利要求1～2中任一项所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述第一氧化或氮化处理和所述第二氧化或氮化处理之后形成包含Cu、Au、Ag、A1其中至少之任一元素的金属层。
12.如权利要求1～2中任一项所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述磁化固定层和所述磁化自由层其中至少之一由包含Co和Fe的合金所形成。
13.如权利要求1～2中任一项所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述磁化固定层具有体心立方结构。
14.如权利要求1～2中任一项所述的磁阻效应元件的制造方法，其特征在于，所述磁化自由层具有包含Ni和Fe的合金所形成的层。
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