CN1106635C - 磁电阻效应元件 - Google Patents

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Abstract

在本发明的含有例如Co的强磁性层和由软性磁层和层叠膜构成的磁性层的磁阻效应元件中，软磁性层的磁化Mk(T)、膜厚d(nm)和各方异性磁场Hk(Oe)满足以下条件：∑(Ms×d×Hk)＞30〔T nm Oe〕，并通过使含有Co的强磁性层和软磁性层具有不同的易磁化轴方向的构造，从而提供一种高灵敏度和低噪声的磁阻效应元件。

Description

磁电阻效应元件
发明名称：
本发明涉及磁电阻效应元件。
发明领域：
通常，读出在磁记录载体记录的信息，是采用如下方法，使具有线圈的重放用磁头相对于记录载体移动，检出由此时产生的电磁感应而在线圈感应的电压。另一方面，读出信息之时，已知有使用磁电阻元件(以下称为MR元件)(参看IEE MAG-7，150(1971))：采用MR元件的磁头(以下称为MR磁头)是利用某种铁磁性体的电阻随外磁场强度而变化的现象。
近年来，小型、大容量化的磁记录载体得以发展，由于读出信息时重放用磁头与磁记录载体的相对速度降低，对即使相对速度较小也能取出大的输出的MR磁头的期待日益增高。
如上所述，磁阻效应是铁磁性体的电阻因外磁场而变化的现象，作为高灵敏度磁传感器(例如读出磁记录用磁头)研究了其应用。
已知磁阻效应是铁磁性体自身所具有的各向异性磁阻(AMR)，但是，其不能呈现大百分比的磁阻变化率。对此，通过非磁性导电体层，可以获得磁阻变化率超过10％的磁阻效应(GMR)，其依赖于叠层的铁磁性导电体层间的磁化方向，有希望作为高灵敏度磁传感器，尤其是磁记录的读出头。
作为这种GMR型的磁阻效应元件，有铁磁性体层之间存在磁交换结合(例如金属磁性人造晶格)和铁磁性体层之间无实质的交换作用(例如自旋阀)等情况。
为了检出读出头等的弱磁场，必须能由弱磁场得到大的磁阻变化，在要求磁阻变化率大的同时，也要求饱和磁场(通过施加磁场而使磁阻变化饱和的磁场)要小。因而在GMR式的磁阻效应元件中，要求构成叠层膜的铁磁性体层软磁性化。
为实现这种软磁性化，以使用软磁性材料为好，但是问题在于磁阻变化率因材料而降低，或者不能承受元件作成时的各种条件及元件工作时耐久性。
因此，例如NiFe合金(坡莫合金等)是矫顽力小的软磁材料的代表，但与Co合金系列比居里温度低耐热性差。另一方面，Co合金的矫顽力较大，软磁特性成问题，饱和磁场变大。仅仅这样来选择铁磁性导电体层的材料则难以满足相反的特性。
其次，在感知MR头的外磁场从而电阻产生变化的部分(以下称为MR元件)中，可以使用Ni-Fe合金即所谓坡莫合金系。但是，虽然坡莫合金具有良好的软磁特性，但磁阻变化率最大有3％，作为小型大容量化的磁记录载体用的MR元件，其磁阻变化率不足。为此，作为MR元件材料期望有更高灵敏度的磁阻效应。
对于这种期望，按Fe/Cr或Co/Cu这样，在某种条件下，交替地迭层铁磁性金属膜和非磁性金属膜，已经证实相邻的铁磁性金属膜之间反铁磁性结合的多层膜，亦即人造晶格膜呈现出巨大的磁阻效应。如在人造晶格中呈现从最大超过100％的磁阻变化率已有报道(参见Phys.Rev.Lett.，Vol.61，2474(1988)、Phys.Rev.Lett.，Vol.64，2304(1990)等)。但是，由于人造晶格膜的饱和磁场高，所以一般不适用于MR元件。
另一方面，采用铁磁性膜/非磁性膜/铁磁性膜的层状构造的多层膜，虽然不是铁磁性膜反铁磁性结合的情况，但也已有报道实现大的磁阻效应的例子。亦即，在夹持非磁性膜的两层铁磁性膜的其一，遭受交换偏磁导致固定磁化，其二的铁磁性膜因外磁场(信号磁场)而产生磁化反向。由此，通过改变夹持非磁性膜而配置的两层铁磁性膜的磁化方向的相对角度，可获得大的磁阻效应。此类多层膜称为自旋阀(参见Phys.Rev.B.，Vol.45，806(1992)、J.Appl.Phys.，Vol.69，4774(1991)等)。自旋阀(スピンバルプ)膜的磁阻变化率，虽然与人造晶格膜相比要小，但由于可以在弱磁场下使磁化饱和，所以适用于MR元件。对于采用这种自旋阀的MR磁头，可以寄予较大的实用期望。
可是，在使用上述铁磁性膜之间不是以反铁磁性结合的自旋阀的MR元件中，特别是提高因外磁场而发生磁化反向的铁磁性膜的软磁特性，成为提高元件灵敏度的必要条件。但是，产生大的MR变化量的材料未必呈现良好的软磁特性，使此两种特性兼容成为重要的课题。
例如，采用Co膜或Co系磁性合金作为铁磁性膜的自旋阀，特别是采用结晶Co膜或Co系磁性合金的自旋阀，虽然可呈现良好的MR变化量，但是其软磁性化困难，这是公知的。一般，Co或Co系磁性合金中，产生磁各向异性的离散，难磁化方向的磁滞回线中也产生了高的矫顽力Hc。因此，如果在传感器中采用具有使用Co或Co系合金的自旋阀的MR元件，则产生巴克好森噪声，存在S/N降低，不能供实用的问题。
特别是，在自旋阀中，夹持非磁性膜而配置的两层铁磁性膜的磁化方向，在零磁场中相互大致正交，但为了作为传感器件使用，必须为此所必需的退火处理。但是，如果进行这种退火处理，Co或Co系磁性合金中的磁各向异性的离散则变得更大，则存在巴克好森噪声产生、S/N降低，不能供实用的问题。
这样，对于采用自旋阀的MR元件，在呈现大MR变化量的自旋阀中再现性良好地实现良好的软磁特性，抑制磁各向异性的离散，降低难磁化轴方向的矫顽力Hc已成为课题。因此，强烈地期望通过降低难磁化轴方向的矫顽力Hc，来抑制作为传感器件使用时的巴克好森噪声。
发明目的：
本发明的第一目的在于提供一种阻效应元件，即使铁磁性导电体层采用矫顽力高的材料之时，也能降低饱和磁场。
本发明的第二目的在于提供一种采用自旋阀的磁阻效应元件，可以再现性良好地获得大MR变化量和良好的软磁特性。
发明方案概述：
本发明的第一磁阻效应元件，包括：层叠体，具有第一铁磁性导电体层，在此第一铁磁性导电体层上层叠的非磁性导电体层和在此非磁性导电体层上层叠的第二铁磁性导电体层；在此层叠体上形成的一对电极，其特征在于，所述第一铁磁性导电体层和第二铁磁性导电体层中的一方，具有易磁化轴方向不同的第一和第二磁磁性层。
所述第一磁阻效率元件中，由易磁化轴方向不同的多层铁磁性膜构成的铁磁性导电体层，在铁磁性膜之间产生直接交换结合，作为铁磁性导电体全体，进行整体的磁化。其中，由于存在易磁化轴方向不同的铁磁性膜，所以各向异性能相互抵消，作为整体可以实现低的饱和磁场。此相互抵消的效果，在易磁化轴大致正交时最能充分地体现。亦即，第一磁致电阻效应元件的特征在于第一铁磁性层与第二铁磁性层的易磁化轴大致正交。
进一步，第一磁阻效应元件的特征在于，第一铁磁性层由Co或者Co合金构成，所述第一铁磁性层与非磁性导电体层接触地配置。
本发明的第二磁阻效应元件，是自旋阀磁阻效应元件，在膜面内方向具有单轴磁各向异性的铁磁性导电体层所构成的、在测量磁场的作用下磁化方向旋转的自由层，和在膜面内方向具有单轴磁各向异性的铁磁性导电体层所构成的、在测量磁场的作用下磁化方向不旋转的转接(ピン)层，是由其间夹有非磁性导电体层的层叠体构成，利用取决于所述自由层和转接(ピン)层的磁化方向之间的角度的所述层叠的电阻变化检出测量磁场；
其特征在于，所述自由层包含易磁化轴互不相同的第一和第二铁磁性层，所述自由层整体保持在预定方向的单轴磁各向异性。
所述第二磁阻效应元件，其特征在于，第一铁磁性层与第二铁磁性层的易磁化轴方向大致正交。
第三磁阻效应元件，包括：层叠体，具有在膜面内方向具有单轴磁各向异性的第一铁磁性导电体层，在此第一铁磁性导电体层的第一主面上层叠的非磁性导电体层，在此非磁性导电体层上层叠的、在面内方向具有单轴磁各向异性的第二铁磁性导电体层，在所述第一铁磁性导电体层的第二主面上层叠的、由强反磁性体构成的磁化固定膜；和在此层叠体上形成的一对电极；
其特征在于，所述第二铁磁性导电体层，含有易磁化轴方向不同的第一和第二铁磁性层，所述第二铁磁性导电体层整体保持在预定方向的单轴磁各向异性。
所述第三磁阻效应元件，其特征在于，第一铁磁性层与第二铁磁性层的易磁化轴方向大致正交，所述第一铁磁性层和第二铁磁性层中之一的易磁化轴方向与所述第一铁磁性导电体层的易磁化轴方向大致平行。
所述第三磁阻效应元件，最好是第二铁磁性导电体层中，与外磁场相对磁化可旋转的程度较强，在与第一铁磁性导电体层的磁化正交的方向上施加偏磁场。
所述第一、第二、第三磁阻效应元件，亦即如下的磁阻效应元件的制造方法，该元件由在第一铁磁性导电体层上层叠的非磁性导电体层和在此非磁性导电层上层叠的第二铁磁性导电层构成的、呈现磁阻效应的层叠体组成，所述第一和第二铁磁性导电层中至少之一含有易磁化轴方向不同的第一和第二铁磁性膜，包括如下热处理工序，对所述层叠体加热至第一温度，在第一方向施加磁场，保持预定时间；在施加磁场的情形下冷却至第二温度；在变为第二温度的时刻把磁场旋转至第二方向；如此冷却至室温；由此热处理使第一和第二铁磁性膜具有不同的易磁化轴方向。
而且上述制造方法中，最好使第二磁场方向从第一磁场方向旋转大约90度，如此进行正交化热处理。
而且在所述制造方法中，最好在第一和第二铁磁性膜的各向异性磁场总量为10Oe以下的条件下进行热处理。
如上所述，所述第一至第三磁阻效应元件，由易磁化轴方向不同的多层铁磁性膜构成的铁磁性导电体层，在该磁性膜之间产生直接交换结合，作为铁磁性导电体层整体，进行一体化的磁化。其中，由于存在易磁化轴方向不同的铁磁性膜，所以各向异性能相互抵消，作为整体可以实现低的饱和磁场。此相互抵消的效果，在易磁化轴大致正交时最能充分地体现。
以下结合附图做更具体的说明。
如图1A所示，在基片1上形成自由层2、非磁性导电层3和转接层4。此转接层的磁化例如由FeMn这样的强反磁性膜(图中未示出)来固定。在此层叠膜上设置一对电极(图中未示出)。
自由层2由第一和第二铁磁性膜2-1、2-2构成。例如与非磁性导电层3接触的一侧是第一铁磁性膜2-1。
自旋阀式的磁致电阻效应元件中，由于转接层4的磁化被固定，所以对其软磁特性无特别要求。仅对自由层2有软磁特性要求。因此，如果仅提高自由层2的软磁特性，如此实现多层化、竞争磁化状态则较好。但是，不言而喻，如果需要也可以使转接层多层化。
对于GMR式的情况，非磁性层与磁性层的界面受到较大的磁致电阻效应的影响。因此采用电阻变化率大、耐热性优异的Co或Co合金时，如果使与非磁性导电层3接触的一侧(第一铁磁性膜2-1)成为Co或者Co合金这样地构成自由层2中的层结构则为好。
例如由Co或Co合金层构成转接层，把由Co或Co合金构成自由层的第一磁性膜2-1和由坡莫合金等构成的第二铁磁性膜2-2层叠，可以实现此第一和第二铁磁性膜的易磁化方向例如正交。
通过在磁场中的热处理可以实现这种竞争的磁化状态。
由不同材料构成第一和第二铁磁性膜并层叠。从高温冷却这些层叠膜的过程中改变所加磁场的方向，例如90度。外加磁场的方向改变时的温度取决于膜构成(随第一和第二铁磁性膜的组合，层叠状态等诸条件而不同)。
设定适合的温度，例如可使易磁化轴取第一铁磁性膜初期的磁场方向、第二铁磁性膜后半期的磁场方向。
但是，从膜整体来看，由支配各向异性的膜的易磁化轴方向引入单轴磁各向异性。例如，整体的各向异性受磁化大小与膜厚与各向异性磁场的积的大小支配。
如果由第二铁磁性膜的磁化支配第一和第二铁磁性膜的层叠膜的磁化，则第二铁磁性膜的易轴方向成为层叠膜的单轴磁各向异性。因此，在无磁场状态，第一铁磁性膜的磁化取第二铁磁性膜的易轴方向。
该状态如图1B所示。例如转接层4的易轴方向与第一铁磁性膜2-1的易轴方向一致，第二铁磁性膜2-2的易轴方向与其正交。由第二铁磁性膜2-2支配了自由层2整体的各向异性方向，结果引入了自由层2和转接层4正交的各向异性。
自旋阀式中，多采用强反磁性膜来进行转接层的磁化固定。这时的构成例如图2所示。
亦即，是这样一种磁致电阻效应元件，在基片21上具有层叠体和在此层叠体上形成的一对电极26，该层叠体包括：在膜面内方向具有单轴磁各向异性的第一铁磁性导电体层(转接层24)，在第一铁磁性导电层上层叠的非磁性导电层23，在此非磁性导电层上层叠的在膜面内方向具有单轴磁各向异性的第二铁磁性体导电层(自由层22)和在所述第一铁磁性导电体层上层叠的由强反磁性膜构成的磁化固定膜25；
其特征在于，所述第二铁磁性体导电层包含易磁化轴方向不同的第一和第二铁磁性膜22-1、22-2，前述第二铁磁性体导电层做为整体保持在预定方向的单轴磁各向异性。
此第二铁磁性体导电层引入与图1B所示相同的各向异性。此时，纸面平行面是与载体对置的面。
如图2所示构成中，在自由层22上，为了施加偏置磁场，与自由层接触地形成CoPt合金层这样的硬质磁性层27。硬质磁性层虽然不是必须的，但有利于为了消除巴克好森噪声而在自由层上施加偏磁场。此方向与自由层的单轴磁各向异性的方向平行。
按此构成在层叠膜上设置电极26，但也可在基片21与层叠膜之间、或者硬质磁性层27与层叠膜之间设置。
而且由于一般的强反磁性膜的耐腐蚀性较差，也可在强反磁性膜25上形成保护膜。
通常自由层的单轴磁各向异性与载体面平行地设置，而且钉轧层的单轴磁各向异性与载体面垂直地设置。因此，在所述磁场中热处理时，如果初始外加磁场在转接层的单轴磁各向异性方向，而后期的外加磁场在自由层的单轴磁各向异性的方向则较好。例如，使构成自由层的第一磁性膜的易磁化轴的方向和转接层的易磁化轴方向相同，构成自由层的第二磁性膜的易磁化轴的方向与它们正交。
由于与非磁性导电膜接触的第一铁磁性膜对磁阻效应有大的作用，满足本发明的条件叠加第二铁磁性膜，可使由第一铁磁性膜单独难以相容的特性得以相容。
不言而喻，本发明的第一和第二铁磁性导电层中至少之一包含多层磁性膜为好，也可以含两层以上的铁磁性膜。
这里，由两种磁性膜的层叠膜构成自由层，各磁性层的活性化能量是ε1、ε2(eV)，按在磁场中进行成膜或者在活性化能量比较充分的高温进行长时间退火等方法，对带有在单方向离散小的单轴磁各向异性的情况予以说明。
一般在赋予感应磁各向异性的磁性膜中，一边在与易轴正交的方向施加磁场，一边在温度Ta下进行退火时，各向异性磁场按下式变化：
Hk＝2HkO(exp{-Aexp(-βεt)-0.5})
这里，HkO是退火无限长时间时的各向异性磁场，A是有实验求得的常数，t是热处理时间，而且，β＝1/(kB·Ta)
kB代表玻耳兹曼常数，Ta代表退火温度。
这里，由CoNbZr膜的实验求得的值A是11.6。采用此值，计算Hk对活化性能量ε和退火温度Ta的依赖性，结果如图5所示。退火时间为1000秒。
由图3可知，即使在同一温度进行正交化热处理，如果活性化能量不同，则最终的HkHk值也不同。而且对于某一活化性能量，适当地选择退火温度，则可是Hk大致在零附近。
但是在单一膜进行退火时，由于发生了各向异性离散，即使Hk小，矫顽力Hc也较大，存在出现巴克好森噪声的问题。
另一方面，由两种磁性层的层叠膜构成自由层，活性化能量ε不同时，如果在某一温度Ta进行正交化退火，则各向异性磁场的值在各层不同。
这里，考虑采用ε1＝0.42(eV)、ε2＝0.52(eV)的磁性材料制做两层磁性层叠膜的情况，而且设定膜厚，使两层的Ms·d之积(Ms是饱和磁化强度，d是膜厚)为1∶1。
于是，在200℃进行正交化热处理之时，层1的Hk为8(Oe)、层2的Hk为20(Oe)，总Hk平均值为14(Oe)。
与此相反，在270℃热处理时，各值为-10(Oe)、14(Oe)，作为平均值可达到较小的值2(Oe)。
而且从各层来看具有相当大的各向异性，形成各向异性离散小的膜。
进而如果在300℃进行正交化热处理，层1的Hk为10(Oe)、层2的Hk为0(Oe)，总Hk平均值为-8(Oe)。此时，作为整体，各向异性旋转了90度，由于层2的Hk下降太大，所以引起各向异性离散，整体产生了矫顽力，产生了这些问题。因此，这种情况下，在270℃的正交化热处理温度是最适合的。
由具有正交的易轴(第一方向、第二方向)的多层铁磁性膜构成铁磁性导电层时，
Hk(总量)＝[∑1(Ms·t·Hk)-∑2(Ms·t·Hk)]/∑1，2(Ms·t)
式中，Ms：各一层的饱和磁通密度
t：各一层的层膜厚
Hk：各一层的各向异性磁场
∑1：对具有第一方向的易轴的铁磁性层的求和
∑2：对具有第二方向的易轴的铁磁性层的求和
∑1，2：对铁磁性层全体的求和。
上式所示的Hk(总量)的绝对值小的一方其软磁特性优异。实用上在10(Oe)以下为好。因此，应选择满足此关系的温度。
作为本发明采用的铁磁性导电体，可例举Fe、Co、Ni及其合金。特别是采用Co或Co合金的时候，可获得耐热性、高电阻变化率的提高的效果。例如，可举例Fe含量为5-40原子％程度的富含Co的CoFe合金。无是否添加Pt等添加元素均可。膜厚在5nm至20nm程度。
作为与非磁性导电层接触的一侧的磁性膜采用Co合金，通过与其它磁性膜的层叠，可在整体上实现软磁性化，这样可以最大限度地产生高耐热性1向非磁性导电层的扩散降低)和高电阻变化率的特征。
而且作为非磁性导电体，可列举Cu、Au、Ag等。相同的膜厚在5nm至20nm程度。
进而，作为强反磁性体，可使用FeMn，NiO、IrMn等。
本发明第四磁阻效应元件，具有自旋阀，包括：由含Co的铁磁性体膜和软磁性膜的层叠膜构成的第一磁性层，第二磁性层，在所述第一磁性层与第二磁性层之间配置的非磁性中间层；其特征在于，所述软磁性膜由一种软磁性材料膜或者二种以上软磁性材料膜组成的软磁性材料层叠膜构成，所述软磁性材料膜或者软磁性材料层叠膜的磁化强度为Ms(T)、膜厚为d(nm)、各向异性磁场为Hk(Oe)时，满足∑(Ms×d×Hk)＞30(TnmOe)。这里∑(Ms×d×Hk)表示各软磁性材料膜的∑(Ms×d×Hk)值的总和。
本发明的磁阻效应元件，在与含Co的铁磁性体膜接触形成的软磁性层中，采用∑(Ms×d×Hk)超过30(TnmOe)的软磁性材料膜或者软磁性材料层叠膜。这里，所述软磁层的∑(Ms×d×Hk)值代表对含Co的铁磁性体膜的各向异性离散的抑制x。通过使用这种∑(Ms×d×Hk)值超过30(TnmOe)的软磁膜，可以再现性良好地抑制含Co铁磁性体层的各向异性离散。由此，可以使含Co铁磁性体膜的难轴方向的矫顽力Hc降低至例如1Oe以下。亦即，可以期望提高含Co铁磁性体膜的软磁特性。
本发明第四磁阻效应元件的制造方法，该元件具有自旋阀，包括：由含Co铁磁性膜和软磁膜的层叠膜构成的第一磁性层，所述第二磁性层，在所述第一磁性层与第二磁性层之间配置的非磁性中间层；包括如下步骤：在基片上形成软磁膜；在此软磁膜上层叠含有Co的铁磁性膜；形成第一磁性层；在此第一磁性层上形成非磁性中间层以及由含有Co的铁磁性体构成的第二磁性层；再层叠该反磁性层，形成自旋阀；进行正交退火，从而制成自旋阀磁阻效应元件。
以下，说明本发明的第四磁阻效应元件。
图4是展示本发明一种实施方式的磁阻效应元件(MR元件)的主要结构的剖面图。该图中，51是基片，52是第一磁性层，54是第二磁性层，在第一和第二磁性层52、54之间夹置非磁性中间层53。这些磁性层52、54之间不是强反磁性结合，而是构成非结合型的层叠膜。
这些磁性层52、54之中，第一磁性层52由含Co铁磁性体组成的铁磁性体层52-1、除此之外的软磁材料组成的软磁层52-2的层叠膜构成。其中，铁磁性体层52-1提供磁阻效应，软磁层52-2如下所述，是用于提高铁磁性体层52-1的软磁特性的层。软磁层52-2既可以由一种软磁材料的软磁材料膜构成，也可以由两种以上的软磁材料膜的软磁材料层叠膜构成。
由铁磁性体层52-1和软磁层52-2的层叠膜构成的第一磁性层52，是按铁磁性体层52-1与非磁性中间层53接触的方式配置的。而且，并不限于这种配置，但为了获得大的MR变化量，按上述配置则可有希望。而且，在铁磁性体层52-1和软磁层52-2之间直接磁交换结合，可期望在膜厚方向成为一体磁化。
此第一磁性层52是在信号磁场等外磁场作用下磁化反转的磁性层，即自由磁性层。而且，虽然铁磁性层52-1的MR变化量良好，但在软磁性化困难的结晶质的情形，特别能发挥本发明的效果。
对于所述第一磁性层52中的铁磁性体层52-1，可以使用Co单体或者Co系磁性合金，可以同时增强在MR变化量上施加影响的整体效果和界面效果，以使用因此可获得大MR变化量的Co系磁性合金为好。作为这种Co系合金，可例举在Co中添加Fe、Ni、Au、Ag、Cu、Pd、Pt、Ir、Rh、Ru、Os、Hf等一种或两种以上的合金。添加元素量以5-50原子％为好，8-20原子％的范围更好。如果这些添加元素量过少，则不能充分地增加整体效果，相反如果添加元素量过多，则存在界面效果大幅度下降的危险。从获得大的MR变化量来看，具体地添加元素使用Fe为好。而且，从热稳定性的观点考虑，铁磁性体层52-1和软磁层52-2的膜厚在1nm以上为好。如果铁磁性体层52-1的膜厚过厚，则会导致以下问题，(1)减少了MR变化率，(2)容易因反磁场而产生巴克好森噪声，(3)降低了由软磁层52-2所得的抑制各向异性离散的效果，因此在10nm以下为好。在5nm以下更好。而且，关于软磁层5的膜厚以下详述。
另一方面，第二磁性层54，是由与第一磁性层52中的铁磁性体层4同样的Co单体或Co系磁性合金构成的铁磁性体层，因为与第一磁性层52相同的理由，以使用Co系磁性合金为好。第二磁性层54，被在其上形成的IrMn膜、FeMn膜、NiO膜等构成的强反磁性层55、或者由Copt膜等构成的硬磁层施以偏置磁场而固定磁化。此第二磁性层54即所谓的转接磁性层。
第二磁性层54的膜厚以能获得大MR变化量的1-10nm的范围为好。作为转接层的第二磁性层54，并不限于上述那样由强反磁性层55等使铁磁性体层的磁化固定，例如也可直接使用硬磁性层等。
这样，第一磁性层52和第二磁性层54的磁化方向，为了提高MR元件的线性响应性，在外磁场为零的状态下，例如相互正交为好。例如通过实施以下所示的退火处理，可以获得这种磁化状态。亦即，(1)一边施加1KOe程度的磁场，一边在250℃程度的温度保持一小时，之后，(2)仍旧在1kOe程度的磁场中冷却至210℃的温度，(3)在210℃的温度下，但使磁场施加方向旋转90°冷却至室温。通过这种退火处理(以下称为正交退火)，可以稳定地获得正交的磁化状态。
具体的磁化方向以如下为好，第一磁性层52的磁化方向为磁道宽度方向，第二磁性层54的磁化方向为与第一磁性层52的磁化方向正交的载体对置面相垂直的方向。
在第一和第二磁性层52、54之间配置的上述非磁性中间层53，由顺磁性材料、反磁性材料、强反磁性材料、自旋玻璃等构成。具体可例举Cu、Au、Ag，或者含这些元素和磁性元件的顺磁性合金，Pd、Pt以及以这些元素为主成分的合金。
这里，非磁性中间层53的膜厚取2-5nm为好。非磁性中间层53的膜厚如果超过2nm，则不能得到充分的磁阻变化灵敏度，而如果不是5nm，则难以使磁性层52、54之间的交换结合充分地小。
由上述各层构成自旋阀层叠膜57，在具备这种自旋阀层叠膜57的MR元件中，与第二磁性层54被固定磁化相反，第一磁性层52由于在外磁场作用下反向磁化，所以层夹配置了非磁性中间层53的两层磁性层52、54的磁化方向的相对角度发生变化，获得了磁致电阻效应。这时，由于使用含Co铁磁性体、特别是Co系磁性合金，作为主要构成第一磁性层52和第二磁性层54的铁磁性体层，所以可获得大MR变化量。
这里，虽然Co或Co系磁性合金可带来大的M R变化量，但它们单独则难以实现良好的软磁特性，一般会产生磁各向异性的离散，难轴方向的矫顽力Hc保持较大的值。这种各向异性离散，是由结晶各向异性的离散产生的，或者是由感应磁各向异性的离散产生的。特别是，对自旋阀进行特有的上述正交退火，容易使各向异性的离散变大，而且在Co系磁性合金中，Co量越多各向异性离散的程度就越大。
因此，本发明中，由铁磁性体层52-1和软磁性层52-2的层叠膜构成在外磁场作用下反向磁化的第一磁性层52，同时软磁层52-2的磁化强度为Ms(T)、膜厚为d(nm)、各向异性磁场为Hk(Oe)时，设定软磁层52-2的材质和膜厚等，使∑(Ms×d×Hk)的值在30(TnmOe)以上。这里，∑(Ms×d×Hk)值，是由一种软磁性材料膜构成软磁层52-2时的(Ms×d×Hk)值，有两种以上的软磁性材料膜的层叠膜构成软磁层52-2时，对各软磁材料膜的(Ms×d×Hk)求和。
亦即，在含Co的铁磁性体层52-1和软磁层52-2的层叠膜中，对在难轴方向的磁滞回线中的矫顽力Hc与软磁层52-2的磁特性的关系做了详细调查，结果，在软磁材料膜的磁化强度Ms(T)、膜厚d(nm)及各向异性磁场Hk(Oe)乘积值((Ms×d×Hk)值)的总和(∑(Ms×d×Hk)值)与所述矫顽力之间存在明确的关系，可以看出，∑(Ms×d×Hk)值超过30(TnmOe)时，可以再现性良好地降低困难轴方向的矫顽力Hc。
图5展示了改变软磁层52-2的构成、∑(Ms×d×Hk)值变化时困难轴方向的矫顽力Hc的变化的调查结果。如图5可看出那样，难轴方向的矫顽力Hc呈现与∑(Ms×d×Hk)值成反比例的依赖性。随着∑(Ms×d×Hk)值的增大而减小。这是因为Co铁磁性体层52-1的各向异性离散被软磁层52-2的单轴磁各向异性所抑制。亦即，∑(Ms×d×Hk)值代表了对含Co铁磁性体层52-1的各向异性离散的抑制力，采用此值超过30(TnmOe)的软磁层52-2，可把困难轴方向的矫顽力Hc降低至例如10Oe以下。
这样，通过把作为自由磁性层的第一磁性层52的困难轴方向的矫顽力Hc降至10Oe以下，使用具有自旋阀层叠膜57的MR元件作为磁头等的传感器件时，可以稳定地抑制巴克好森噪声的产生。因此，获得具有良好的S/N比的传感器件。所述∑(Ms×d×Hk)值，从实现稳定及低矫顽力Hc来看，以∑(Ms×d×Hk)值＞50(TnmOe)为好，为了实现更低的矫顽力，例如Hc＜0.5Oe，∑(Ms×d×Hk)值＞80(TnmOe)以上最好。
软磁层52-2的具体构成，除了满足所述的∑(Ms×d×Hk)＞30(TnmOe)，并无特别限制，但是为了抑制铁磁性体层52-1的各向异性离散，具有良好的单轴磁各向异性，同时软磁层52-2本身的稳定化，以至少具有一层各向异性磁场Hk在50Oe以上的软磁材料膜为好。
作为具体的软磁层52-2的构成材料，可例举如下，NiFe合金，NiFeCo合金，在这些fcc结晶结构的软磁合金中添加Ti、V、Cr、Mn、Zn、Nb、Mo、Tc、Hf、Ta、W、Re等添加元素的高电阻化合金，在Co中添加同样的添加元素的非晶合金，例如CoNbZr非晶合金。
上述软磁材料中，NiFe合金和NiFeCo合金等具有fcc结晶结构，虽然提高含Co铁磁性体层4的结晶性有助于提高软磁特性，但由于各向异性磁场Hk不足50Oe，最好利用CoNbZr非晶合金等的层叠膜。而且，作为其它好的方式，可列举以单体方式使用各向异性磁场Hk在50Oe以上的组成的NiFeCo合金膜。
在此实施方式的MR元件中，作为第一磁性层52的铁磁性层52-1，采用含Co的铁磁性体，因而获得大的MR变化量，就此而言，由于作为与∑(Ms×d×Hk)＞30(TnmOe)的软磁层52-2的层叠膜，利用含Co铁磁性体层52-1，所以获得了抑制含Co铁磁性体层52-1的磁各向异性的离散、良好的软磁特性。这样，按上述实施例方式的MR元件的自旋阀层叠膜57，大MR变化量和良好的软磁特性并存，因而元件灵敏度优异，同时作为传感器件使用时，可抑制在巴克好森噪声的产生，获得良好的S/N比。亦即，可以大幅度地提高使用自旋阀的MR元件的实用性。
以上的本发明第一至第四磁阻效应元件作为磁记录的读出磁头使用时，如果考虑例如屏蔽式构成，可以如图6所示构造。
在基片31上形成由铁磁性体构成的下部屏蔽层32，通过由绝缘体构成的下部间隙层33，形成由自由层/非磁性导电层/钉轧层/磁化固定层的层叠膜构成的MR膜34。
由硬质磁性层35对MR膜施以偏置磁场。通过硬质磁性层35，或者直接在MR膜34上形成电极36，通过由覆盖上述部分的绝缘体构成的上部磁隙层37，形成由铁磁性体构成的上部磁屏蔽层38。
作为绝缘体，可以用氧化铝等制造，作为铁磁性体，可以使用坡莫合金，CoZrNb等非晶磁性合金。
按此构成，在上下磁屏蔽层之间进入载体磁场，应由MR膜检出。
上述构成中，在基片埋置电极，硬质磁性膜等，可在MR层叠膜的部分平坦化。而且可以上下颠倒，在基片侧配置强反磁性膜。
构成记录重放一体型磁头时，例如上部磁头兼用写入磁极，若在此磁极上形成薄膜线圈则较好。
而且，可以形成由磁轭吸收载体磁场，由MR膜检出的构成(参照图7A)。例如，在设有载体侧突出的部分(41-1)的磁轭41上形成MR部42，由MR部检出从此磁轭部分导入的载体磁场，如此构成。在上下磁头(图中未示出)之间配置这种构成，由此构成磁头。
图7A所示构成在图的上下方向移动。
再如图7B所示，在基片401上通过磁隙402，配置对置的一对磁轭403-1、403-2，在此一对磁轭之间配置MR部404，可以按在图的左右方向移动载体来构成。
无论哪种情况，由于MR部分从载体面后退，所以具有优良的耐腐蚀性，耐磨损性。
而且在记录重放一体型的磁头情况下，可以层叠感应式写入磁头。
另外不限于磁头的磁场传感的应用，或者不是传感器而是作为记录元件(即MRAM)使用。例如可以是由自旋阀构造，以自由层的磁化方向记录“1”、“0”，根据依赖于与转接层之间的磁化方向的电阻的差异，读出信息。
另外，本发明可以应用于采用由磁自旋依赖散乱而引起的磁阻效应的元件是不言而喻的。
附图简述：
图1A是本发明的磁阻效应元件的示意图，图1B是说明各层磁化方向的示意图。
图2是本发明的自旋阀式磁阻效应元件的剖面示意图。
图3是说明本发明的特性图(磁性膜的活性化能量-退火温度-各向异性磁场的关系说明图)。
图4是本发明其它磁阻效应元件的一种实施方式的主要构造的剖面示意图。
图5是第一磁性层的困难轴方向的矫顽力Hc与软磁层的∑(Ms×d×Hk)值的关系示意图。
图6是采用本发明的磁阻效应元件的磁记录读出头的一个实例的剖面示意图。
图7A和7B是采用本发明的磁阻效应元件的记录重放一体型磁头的实例示意图。
优选实施例详细描述
以下，说明本发明的具体实施例。
实施例1
在表面具有热氧化膜的Si基片上，从基片侧依次层叠下列膜，形成所谓的自旋阀式的磁阻效应元件：
Co90Zr6Nb4     非磁性膜：100
Ni80Fe20膜：20
Co90Fe10膜：40
Cu膜：30
Co90Fe10膜：40
FeMn膜：150
这里，转接层是CoFe膜单层，自由层是由CoZrNb膜和NiFe膜这两层构成的第二磁性层，由CoFe层构成第一磁性层，由此形成复合层叠膜。
而且，在FeMn膜上层叠作为保护层的50Ti膜。
按以下条件对此层叠膜进行退火。
(1)在250℃，在单方向a施加1KOe的磁场保持一小时，在施加磁场的条件下冷却至室温。
(2)在250℃，在单方向a施加1KOe的磁场保持一小时，在施加磁场的条件下冷却至200℃，在到达200℃的时刻使磁场旋转90度(方向b)，原样冷却。
(3)在250℃，在单方向a施加1KOe的磁场保持一小时，在施加磁场的条件下冷却至150℃，在到达150℃的时刻使磁场旋转90度(方向b)，原样冷却。
对以上3例用VSM测量自由层的各向异性磁场，结果如表1所示。
为了参考，把单独形成各磁性膜时的Hk一起示出。而且，由施加磁场方向展示各磁性膜的易轴轴方向。
                        表    1
                     自由层                   转接层Hk(Oe)       CoZrNb          NiFe       CoFe     CoFe(1)11         7(a)           3(a)       13(a)    300(a)(2)3          7(a)           3(a)       11(b)    300(b)(3)11         7(a)           3(a)       13(a)    300(b)
无论哪种情况，作为自由层整体，赋予方向a的单轴磁各向异性。
(1)的情况，由于自由层中全部膜有各向异性是a方向，所以作为自由层整体，各向异性磁场为单纯的平均(考虑膜厚、磁化强度)，成为11Oe这样大的值。
(2)的情况，转接层的各向异性与FeMn层共同为b方向，而自由层中与(1)相同的a方向，各向异性磁场同样成为11Oe这样大的值。
与此相反，(2)的情况，感应磁各向异性的方向易变动，自由层中的CoFe膜的易轴方向，取在与CoZrNb膜、NiFe膜正交方向，呈现CoFe膜单层未呈现的低各向异性磁场3Oe。
实际上在(2)的膜构成中，当作为磁致电阻效应元件进行磁场测量时，可以获得超过10％的磁阻变化率，超过200℃的耐热性得以确认。
而且，由上述计算的Hk(总量)值，与测量值Hk致相同，仅有(2)的情况Hk(总量)值满足10以下的条件。
比较磁阻效应时，(2)的情况的灵敏度是1.6％/Oe，与此相对，(1)是0.45％/Oe，(3)是0.45％/Oe，确认(2)的高灵敏度。
若根据本发明，则可达到原本Co合金不能实现的软磁性化，可以获得既能形成Co合金的高耐热性、高电阻变化率，又能在弱磁场下获得大磁阻变化的磁阻效应元件。
而且，使用Co合金之外的合金也能获得同样的效果。
作为基片，除Si之外，可以采用例如氧化铝基片，根据需要施加氧化铝膜的AlTiC基片。
如上所述，采用Co合金这种高矫顽力材料时也可以实现良好的软磁特性，可以获得即使采用高矫顽力材料也能在弱磁场下得到大电阻变化的磁阻效应元件。
实施例2
在热氧化Si基片上，通过溅射法，首先依次形成非晶CoNbZr合金膜和NiFe合金膜作为软磁层。这里，改变非晶CoNbZr合金膜的膜厚，制备非晶CoNbZr合金膜的膜厚为3nm、5nm、7nm、10nm4种试样。而且，NiFe合金膜的膜厚定为2nm。
然后，在由此软磁材料层叠膜构成的软磁层上，依次层叠膜厚3nm的Co90Fe10合金膜作为铁磁性体层、膜厚3nm的Cu膜作为非磁性中间层、膜厚3nm的Co90Fe10合金膜作为第二磁性层、膜厚10nm的IrMn合金膜作为强反磁性层、膜厚5nm的Ta膜作为保护层，形成自旋阀层叠膜。
上述自旋阀层叠膜中，通过由非晶CoNbZr合金膜和NiFe合金膜的层叠模构成的软磁层，抑制作为与其相邻的铁磁性体层的Co90Fe10合金膜的各向异性离散，而且作为与InMn强反磁性层相邻的第二磁性层的Co90Fe10合金膜赋予单方向磁各向异性。
之后，在上述自旋阀层叠膜7上进行布图，为了进一步提高对应于外磁场的线性响应特性，使作为转接磁性层的Co90Fe10合金膜的单方向各向异性的方向，与自由磁性层中的Co90Fe10合金膜的单轴各向异性的方向成90°正交，这样施以所述的正交退火，获得MR元件。
如上所述，测量作为改变非晶CoNbZr合金膜的膜厚所得各MR元件的元件整体的困难轴方向的矫顽力Hc。各MR元件的非晶CoNbZr合金膜与NiFe合金膜的层叠膜的∑(Ms×d×Hk)值，与作为MR元件整体的困难轴方向的矫顽力Hc的关系如表2所示。
           表    2试样CoNbZr合    ∑(Ms×d×Hk)值    困难轴方向的矫顽力金膜的膜厚(nm)     (TnmOe)            He(Oe)1       3             11.2              2.62       5             33.6              0.93       7             64.5              0.64      10             102               0.2
如表2可见，∑(Ms×d×Hk)值随着非晶CoNbZr厚的增大而变化，伴随此矫顽力He降低。因此，∑(Ms×d×Hk)值在30(TnmOe)以下的第1号试样，亦即具有本发明范围之外的自旋阀的试样(比较例)，矫顽力He超过1Oe，与此相反，∑(Ms×d×Hk)值超过30(TnmOe)的第2至4号试样，亦即具有本发明的自旋阀的试样(实施例)，矫顽力Hc在1Oe以下，如表中可见。这样，通过使∑(Ms×d×Hk)＞30(TnmOe)，可以获得良好的软磁特性。而且，调查上述各试样的MR变化率时，无论哪个均呈现7％以上的大值。
另外，采用上述各试样的MR元件，制做同一构造的MR磁头。在直径为3时的AlTiC基片上制备磁头，用一块基片可获得800个磁头。把制备的磁头组装在实际的磁盘驱动器中，在各试样的每个磁头中确认产生巴克好森噪声的磁头数。结果如表3所示。
                    表    3
试样      CoNbZr合金膜      产生巴克好森噪声
编号      的膜厚(nm)       的磁头数
 1          3                380
 2          5                 65
 3          7                 10
 4         10                  6
由表3可见，∑(Ms×d×Hk)值越大，则难以产生巴克好森噪声。
实施例3
采用(Ni70Fe10Co20)95Cr5合金膜作为软磁层，代替上述实施例2的非晶CoNbZr合金膜与NiFe合金膜的层叠模构成的软磁层，除此之外与实施例1相同，制备如此结构的自旋阀层叠膜。此时，如表3所示那样改变作为软磁层的(Ni70Fe10Co20)95Cr5合金膜的膜厚。
然后，在上述自旋阀层叠膜上进行布图，再进行与实施例1相同的正交退火，得到各种MR元件。测量这些各个MR元件的元件整体的困难轴方向的矫顽力Hc。结果如图4所示。
                    表    4
试样(Ni70Fe10Co20)95Cr5 ∑(Ms×d×Hk)值  困难轴方向的矫顽力
合金膜的膜厚(nm)                (TnmOe)          Hc(Oe)5        3                            24              1.56        5                            40              0.87        7                            56              0.78       10                            80              0.5
由表4可见，采用(Ni70Fe10Co20)95Cr5合金膜作为软磁层5时，随着膜厚增大∑(Ms×d×Hk)值变大，随此矫顽力Hc降低。因此，∑(Ms×d×Hk)值超过30(TnmOe)的第6-8号试样(实施例)，可见其矫顽力Hc在1Oe以下。这样，通过使∑(Ms×d×Hk)值＞30(TnmOe)，可获得良好的软磁特性。
当调查上述各试样的MR变化率时，均呈现7％以上的大值。而且，与实施例2同样地制备MR磁头，当调查是否发生巴克好森噪声时，在采用矫顽力Hc在1Oe以下的MR元件的情况下确认可以抑制巴克好森噪声的发生。
如上所述，根据本发明的磁阻效应元件，可以获得再现性良好地获得大的MR变化量和良好的软磁特性。因此，可以大幅度提高自旋阀的磁致电阻效应元件的实用性。

Claims (6)

1、一种磁电阻效应元件，具有自旋阀，包括：含Co铁磁性体膜和软磁性膜的层叠膜构成的第一磁性层；第二磁性层；在所述第一磁性层与第二磁性层之间配置的非磁性中间层；其特征在于，所述软磁膜由一种软磁材料膜或者两种以上软磁材料膜组成的软磁材料层叠膜构成，所述软磁材料或者软磁材料层叠膜，其磁化强度为Ms(T)，膜厚为d(nm)，各向异性磁场为Hk(Oe)时，满足∑(Ms×d×Hk)＞30(T·nm·Oe)。
2、根据权利要求1的磁电阻效应元件，其特征在于，所述软磁膜具有各向异性磁场Hk在50(Oe)以上的至少一种软磁材料膜。
3、根据权利要求1的磁电阻效应元件，其特征在于，所述第一磁性层中，所述含Co铁磁性体膜与所述非磁性中间层接触地配置。
4、根据权利要求1的磁电阻效应元件，其特征在于，所述含Co铁磁性体膜与软磁性膜之间是磁交换结合，相对于外磁场成为一体。
5、根据权利要求1的磁电阻效应元件，其特征在于，所述第一磁性层的磁化方向与第二磁性层的磁化方向相互大致正交。
6、根据权利要求1的磁电阻效应元件，其特征在于，所述含Co铁磁性体膜的膜厚在1nm至10nm。
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