CN1398434A - 磁致电阻效应元件和磁致电阻效应型磁头 - Google Patents

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Abstract

在GMR元件的CPP结构中，具有叠层结构部(10)，该叠层结构部至少由根据外部磁场磁化旋转的自由层(1)、钉扎层(3)、钉扎该钉扎层(3)的磁化的反强磁性层(4)、夹在上述自由层(1)和上述钉扎层(3)之间的非磁性层(2)层叠而成；该磁致电阻效应元件以上述叠层结构部(10)的大致层叠方向作为检测电流的通电方向；上述自由层(1)和钉扎层(3)中的至少一个是在膜厚方向上由膜厚1.9nm以下的薄膜层分割而成的多层膜状态，形成有多个异相界面。由此，可以提高传导电子的自旋依赖散射，提高灵敏度。

Description

磁致电阻效应元件和磁致电阻效应型磁头
技术领域
本发明具体涉及借助于所谓的自旋阀结构带来的巨磁致电阻效应(GMR)进行外部磁场检测的磁致电阻效应元件和磁致电阻效应型磁头。
背景技术
由磁致电阻效应元件构成的磁传感器和以其作为磁检测部分的磁头，作为以大线形密度从例如磁记录媒体上读取记录信号磁场的转换器被广泛地使用。
现有的一般的磁致电阻效应元件，利用其电阻与元件的磁化方向和流过元件的检测电流通电方向的夹角余弦的平方成比例变化的各向异性磁致电阻效应。
与此不同，最近，利用由于夹着非磁性层的磁性层间的传导电子的自旋依赖性和不同层界面处的自旋依赖性散射导致的检测电流流过的元件的电阻变化的GRM效应，即自旋阀效应导致的磁致电阻效应的磁致电阻效应元件的应用，已经成为一个方向。
利用这种自旋阀效应导致的磁致电阻效应的磁致电阻效应元件，与各向异性磁致电阻效应相比，可以构成电阻变化更大、灵敏度更高的磁传感器和磁头。
在磁记录媒体中的记录密度低于50Gb/英寸2左右时，可以采用检测电流沿电传导层流动的方向是不同层界面方向的所谓CIP(电流在面内)结构，但是，如果更加高密度化，例如要求100Gb/英寸2，就要求磁道宽度为0.1μm左右。此时，在CIP结构中，即使利用作为现有元件制作中的构图技术的最新的干法工艺，形成这样的元件也成问题。而且，在CIP结构中，由于必须降低电阻，所以必须增大电流通路的截面积，减小磁道宽度也是有限制的。
与此不同，在巨磁致电阻(GMR)元件中，提出了检测电流沿与其膜面垂直的方向流过的CPP(电流与面重直)结构的GMR元件。
作为这种CPP型的磁致电阻效应元件，研究了利用隧道电流的TMR元件，最近还研究了自旋阀元件或多层膜型元件(例如，日本专利特表平11-509956号、特开2000-228004、特开2000-228004、第24届日本应用磁光学会讲演概要集2000，第427页)。
上述的CPP结构的GMR元件，由于沿与膜面垂直的方向进行电流通电，用在现有的沿膜面方向作为通电方向的CIP结构的自旋阀膜结构中时，得不到充分的灵敏度。这是因为，在CIP中利用，使其检测电流主要与自旋阀型膜结构中的电传导层及其界面平行地流动而由此引起的自旋依赖性散射导致的电阻变化；与此不同，在CPP结构中，由于以与膜面垂直的方向作为通电方向，这种效果得不到有效的发挥。
对此，有报告说若自旋阀结构中自由层加厚，则会改善电阻变化(参见上述日本应用磁气学会讲演概要集)。
但是，由于以传导电子以可保留自旋的距离为界限，通过加厚自由层是不能充分改善的。
而且，在提高磁头的灵敏度时，由于必须减少自由层的饱和磁化MS与膜最t的乘积Ms×t，所以仅仅靠增大自由层的膜厚，在现有状况下不是本质的解决办法。
本发明人发现了在CPP结构中，促进自旋依赖性散射的自旋阀结构，基于此提供了灵敏度高的磁致电阻效应元件。由此提供可以适用于例如MRAM(磁随机存取存储器)用的电磁转换元件，尤其适用于例如长时间的动画处理的高记录密度化、记录/再生位的微小化，从而可以从该微小区域高灵敏度地读取信号的磁致电阻效应型磁头。
发明内容
根据本发明的磁致电阻效应元件(GMR元件)，其特征在于：具有叠层结构部，该叠层结构部至少由根据外部磁场磁化旋转的自由层、钉扎层、钉扎该钉扎层的磁化的反强磁性层、夹在上述自由层和上述钉扎层之间的非磁性层层叠而成；该磁致电阻效应元件以上述叠层结构部的大致层叠方向，即与面方向交叉例如垂直的方向，作为检测电流的通电方向；上述自由层具有在膜厚方向上由膜厚1.9nm以下的薄膜层分割而成的多层膜状态，形成有多个异相界面。
另外，根据本发明的磁致电阻效应元件构成为，在上述叠层结构部中，其自由层或钉扎层中的至少一个最好构成为其中分散有粒径1.9nm以下的异相粒子。
另外，根据本发明的磁致电阻效应型磁头构成为以上述各根据本发明的磁致电阻效应元件作为磁检测部分。
如上所述，根据本发明的磁致电阻效应元件(GMR元件)或由该GMR元件构成的磁致电阻效应型磁头，可以提高电阻变化率。
在本发明的结构中，通过在自旋阀结构的自由层或钉扎层中构成为形成把薄膜层分断或多层膜状态而成的多个异相界面，或存在异相粒子，促进在大致层叠方向上流过的检测电流导致的与传导电子有关的自旋依赖性散射，可实现电阻变化率的提高。
另外，用于形成上述异相界面的插入薄膜层的层数越多，自旋依赖性散射的概率就越大，但由于实际中受整体膜厚的限制和可成膜的薄膜厚度的限制，表现出良好特性的插入的薄膜层的总数为10层左右。
附图说明
图1A和1B是根据本发明的磁致电阻效应元件的一例的基本结构图；
图2A和2B是根据本发明的磁致电阻效应元件的另一例的基本结构图；
图3A和3B是根据本发明的磁致电阻效应元件的实施方案的示意剖面图；
图4A和4B是根据本发明的磁致电阻效应元件的实施方案的示意剖面图；
图5A和5B是根据本发明的磁致电阻效应元件的实施方案的示意剖面图；
图6A和6B是根据本发明的磁致电阻效应元件的实施方案的示意剖面图；
图7A和7B是根据本发明的磁致电阻效应元件的实施方案的示意剖面图；
图8A和8B是根据本发明的磁致电阻效应元件的实施方案的示意剖面图；
图9A和9B是根据本发明的磁致电阻效应元件的实施方案的示意剖面图；
图10A和10B是根据本发明的磁致电阻效应元件的实施方案的示意剖面图；
图11是根据本发明的磁致电阻效应元件的一例的示意斜视图；
图12是根据本发明的磁致电阻效应型磁头的一例的示意斜视图。
实施发明的具体方式
根据本发明的磁致电阻效应元件(GMR元件)是由自旋阀结构构成的、以与膜面方向交叉例如垂直的方向作为检测电流的通电方向的结构(本发明中，把该交叉方向的检测电流的通电形态叫作CPP结构)的GMR。
根据本发明的GMR元件可以采用例如图1A、1B和图2A、2B分别所示的基本结构的自旋阀结构。
例如可以是如图1A中示出的其基本结构那样，在对置的第一和第二电极层31和32之间具有分别具有导电性的自由层1、非磁性层2、钉扎层3、反强磁性层4的叠层结构的自旋阀结构；或如图1B所示的基本结构那样，是其钉扎层由磁性层3a，非磁性夹层3b和磁性层3a层叠而构成所谓叠层铁磁层结构的综合型结构。
另外，也可以是在这些结构中使其层叠方向上下颠倒的结构。
于是，就成为在第一和第二电极层之间进行检测电流的通电的CPP结构。
而且，或者如图2A和图2B的基本结构分别所示的那样，为了增大输出，可以成为分别使一对图1A和图1B的结构的自旋阀结构在第一和第二电极层31和32之间设置的所谓双自旋阀结构、即，它们可以构成为，夹着自由层1在其两侧分别配置第一和第二非磁性层2A和2B、第一和第二钉扎层3A和3B、第一和第二反强磁性层4A和4B的结构。
此时，也是在第一和第二电极层之间进行检测电流的通电的CPP结构。(实施方案1)
在该实施方案中，是在由图1A的基本结构构成的情况下，如图3A所示的示意剖面图那样，构成为具有以自由层1、非磁性层2、钉扎层3、反强磁性层4的叠层结构为基本结构的叠层结构部10；其自由层1在厚度方向上通过厚为1.9nm以下、单原子层以上的，一层以上的薄膜层11分断成多个层，由各层间形成多个异相界面。
另外，该实施方案可以是，例如如图3B所示的示意剖面图那样，以图1B为基本结构，成为其钉扎层3由磁性层3a和非磁性夹层3b构成的所谓的叠层铁氧层结构的综合铁氧型结构。图3B中，示出了分断自由层1的薄膜层11是四层结构的构成。
图3B中，与图3A对应的部分赋予同一标号，并省略重复说明。(实施方案2)
在该实施方案中，是在图2A的双自旋阀型的情况下，如图4A所示的示意剖面图那样，构成为夹着自由层1在其两侧配置非磁性层2A和2B、钉扎层3A和3B、反强磁性层4A和4B的结构中，其自由层1在厚度方向上通过厚为1.9nm以下、单原子层以上的，一层以上的薄膜层11分断成多个层，由各层间形成多个异相界面。
另外，该实施方案可以是，例如如图4B所示的示意剖面图那样，以图2B为基本结构，成为其钉扎层3由磁性层3a和非磁性夹层3b构成的所谓的叠层铁氧层结构的综合铁氧型结构。
图4B中，与图4A对应的部分赋予同一标号，并省略重复说明。(实施方案3)
在该实施方案中，是在由图1A的基本结构构成的情况下，如图5A所示的示意剖面图那样，构成为具有以自由层1、非磁性层2、钉扎层3、反强磁性层4的叠层结构为基本结构的叠层结构部10；其钉扎层3在厚度方向上通过厚为1.9nm以下、单原子层以上的，一层以上的薄膜层12分断成多个层，由各层间形成多个异相界面。
另外，该实施方案可以是，例如如图5B所示的示意剖面图那样，以图1B为基本结构，成为其钉扎层3由磁性层3a和非磁性夹层3b构成的所谓的叠层铁氧层结构的综合铁氧型结构。此时，构成为磁性层3a在厚度方向上通过厚为1.9nm以下、单原子层以上的，一层以上的薄膜层12分断成多个层，由各层间形成多个异相界面。
图5B中，与图5A对应的部分赋予同一标号，并省略重复说明。(实施方案4)
在该实施方案中，是在图2A的双自旋阀型的情况下，如图6A所示的示意剖面图那样，构成为夹着自由层1在其两侧配置非磁性层2A和2B、钉扎层3A和3B、反强磁性层4A和4B的结构中，其钉扎层3在厚度方向上通过厚为1.9nm以下、单原子层以上的，一层以上的薄膜层12分断成多个层，由各层间形成多个异相界面。
另外，该实施方案可以是，例如如图6B所示的示意剖面图那样，以图2B为基本结构，成为其钉扎层3由磁性层3a和非磁性夹层3b构成的所谓的叠层铁氧层结构的综合铁氧型结构。此时，构成为例如两钉扎层3A和3B的各磁性层3a在厚度方向上通过厚为1.9nm以下、单原子层以上的，一层以上的薄膜层12分断成多个层，由各层间形成多个异相界面。
图6B中，与图6A对应的部分赋予同一标号，并省略重复说明。(实施方案5)
在该实施方案中，是在由图1A的基本结构构成的情况下，如图7A所示的示意剖面图那样，构成为具有以自由层1、非磁性层2、钉扎层3、反强磁性层4的叠层结构为基本结构的叠层结构部10；在其自由层1的厚度方向上分散粒径1.9nm以下、单原子粒子以上的异相粒子13。该例中是层状地分散1层以上的结构。
另外，该实施方案可以是，例如如图7B所示的示意剖面图那样，以图1B为基本结构，成为其钉扎层3由磁性层3a和非磁性夹层3b构成的所谓的叠层铁氧层结构的综合铁氧型结构。
图7B中，与图7A对应的部分赋予同一标号，并省略重复说明。(实施方案6)
在该实施方案中，是在图2A的双自旋阀型的情况下，如图8A所示的示意剖面图那样，构成为夹着自由层1在其两侧配置非磁性层2A和2B、钉扎层3A和3B、反强磁性层4A和4B的结构中，在其自由层1的厚度方向上分散粒径1.9nm以下、单原子粒子以上的异相粒子13。该例中是层状地分散1层以上的结构。
另外，该实施方案可以是，例如如图8B所示的示意剖面图那样，以图1B为基本结构，成为其钉扎层3由磁性层3a和非磁性夹层3b构成的所谓的叠层铁氧层结构的综合铁氧型结构。
图8B中，与图8A对应的部分赋予同一标号，并省略重复说明。(实施方案7)
在该实施方案中，是在由图1A的基本结构构成的情况下，如图9A所示的示意剖面图那样，构成为具有以自由层1、非磁性层2A、钉扎层3、反强磁性层4的叠层结构为基本结构的叠层结构部10；在其钉扎层3的厚度方向上分散粒径1.9nm以下、单原子粒子以上的异相粒子13。该例中是层状地分散1层以上的结构。
另外，该实施方案可以是，例如如图9B所示的示意剖面图那样，以图1B为基本结构，成为其钉扎层3由磁性层3a和非磁性夹层3b构成的所谓的叠层铁氧层结构的综合铁氧型结构。此时，该磁性层3a中，与上述同样地，在其厚度方向上分散粒径1.9nm以下、单原子粒子以上的异相粒子13。该例中是层状地分散1层以上的结构。
图9B中，与图9A对应的部分赋予同一标号，并省略重复说明。(实施方案8)
在该实施方案中，是在图2A的双自旋阀型的情况下，如图10A所示的示意剖面图那样，构成为夹着自由层1在其两侧配置非磁性层2A和2B、钉扎层3A和3B、反强磁性层4A和4B的结构中，在其钉扎层3的厚度方向上分散粒径1.9nm以下、单原子粒子以上的异相粒子13。该例中是层状地分散1层以上的结构。
另外，该实施方案可以是，例如如图10B所示的示意剖面图那样，以图2B为基本结构，成为其钉扎层3A和3B由磁性层3a和非磁性夹层3b构成的所谓的叠层铁氧层结构的综合铁氧型结构。此时，构成为例如在两钉扎层3A和3B的各磁性层3a中，在其厚度方向上分散粒径1.9nm以下、单原子粒子以上的异相粒子13。该例中是层状地分散1层以上的结构。
图10B中，与图10A对应的部分赋予同一标号，并省略重复说明。
形成上述的异相界面的薄膜11和12、异相粒子13和14也可以由与它们分别相对应的自由层或钉扎层的构成材料构成，但优选为由与它们不同的材料，尤其是非磁性材料构成。
例如，自由层1通常由以Co、CoFe合金、Ni、NiFe合金为基体的材料构成。在该自由层1中，可以用Ti、V、Cr、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Si、Al、Fe、Co或它们中的一种以上的合金，或它们的氧化物、氮化物在自由层1内形成薄膜或粒状化而形成。
另外，在钉扎层3中也可以用上述材料构成形成异相界面的薄膜、异相粒子。
另外，还确认通过在自由层和钉扎层的任一个中，用上述材料形成使自由层和钉扎层多层化叠层铁氧层结构，可以促进自旋依赖性散射，使电阻变化量飞跃性地增加。
根据本发明的GMR元件是，如图11所示的示意斜视图那样，夹着叠层结构部10在其两侧配置，施加用来使在叠层结构部10的面方向的自由层稳定化的偏置磁场HB而磁化的硬磁性层21，沿叠层结构部10的层叠方向检测电流Is通电的结构。
对于叠层结构部10，在与检测电流Is和偏置磁场HB垂直的方向上施加外部磁场即检测磁场H，借助于检测电流作为电气输出取出该外部磁场导致的电阻变化。
另外，根据本发明的磁致电阻效应型磁头22，如图12所示，在例如一对磁屏蔽层兼电极层23和24之间配置叠层结构部10和偏置硬磁性层21，在磁层蔽层兼电极层23和24之间填充Al2O3等的绝缘层25。
该叠层结构部10即GMR元件20中，其自由层1配置成位于磁屏蔽层兼电极层23和24的大致中央位置，同样地在该中央位置配置对该自由层1施加偏置磁场而加磁的硬磁性层21。
在例如单自旋阀结构中，如例如图3、5、7和9所示，该自由层1仅配置在叠层结构部10的两面中的任一面(各图中是上方)上，所以在配置该自由层1的一侧，虽然图中未示出，在叠层结构部10和磁屏蔽层兼电极层(如磁屏蔽层兼电极层24)之间配置有导电性的非磁性层33，自由层1配置成位于磁屏蔽层兼电极层23和24的大致中央位置。
该磁头中，其磁检测部分即叠层结构部10与磁记录媒体相对接或对置的面配置成，例如在上浮型磁头中靠近其ABS(空气支撑表面)即前方向26而形成。
但是，也可以构成为，在比前方面26在深度方向上后退的位置上配置叠层结构部10，靠近前方面26配置磁束导入层，根据来自磁记录媒体的记录信息导入磁场。
另外，虽然在图12中示出了使用磁屏蔽层兼电极层23和24的结构，但也可以是电极与磁屏蔽层分别构成后再重叠的结构。
下面，举出根据本发明的GMR元件的实施例。(实施例1)
在该实施例中，叠层结构部10是Ta5/PtMn20/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Cu3/CoFe6/Ta5(各数值表示各层厚度(nm)，以下都是同样的表示方法)的结构，即以在厚5nm的Ta构成底层上依次层叠厚20nm的PtMn构成的反强磁性层、厚2nm的CoFe和厚0.9nm的Ru和厚2nm的CoFe构成的钉扎层、厚3nm的Cu构成的非磁性层、厚6nm的CoFe构成的自由层、厚5nm的Ta构成的覆盖层而成的综合铁氧型结构的单自旋阀结构为基本结构。在该结构中，通过每隔2nm的厚度插入厚1.9nm的Cu构成的薄膜，分断其6nm的由CoFe构成的自由层，成为在该自由层中形成异相界面的结构。即，该自由层是CoFe2/Cu1.9/CoFe2/Cu1.9/CoFe2的层叠结构。
在10kOe的磁场中对该结构的叠层结构部10进行270℃下4小时的退火处理。
在该叠层结构部的两面上形成厚300nm的Cu的电极层。
并以0.1μm×0.1μm的大小对该叠层结构部10构图。(实施例2)-(实施例19)
是与实施例1同样的结构，只是自由层的结构变成如表1所示的那样。(比较例1)
是与实施例1同样的结构，只是自由层的结构为只由厚6nm的CoFe构成。(比较例2)
是与实施例1同样的结构，只是自由层的结构变成如表1所示的那样。
在上述的实施例1-实施例19、比较例1和比较例2的各叠层结构部中，分别在两电极之间通10mA的电流，测量元件电阻和电阻变化。这些测量结果示于表1。
                        表1
插入材料和自由层的结构 元件电阻(Ω) 电阻变化量(Ω)
比较例1  CoFe6  4.00  0.10
比较例2  CoFe2/Cu2.2/CoFe2/Cu2.2/CoFe2  5.80  0.30
实施例1  CoFe2/Cu1.9/CoFe2/Cu1.9/CoFe2  5.70  0.50
实施例2  CoFe2/Cu1.2/CoFe2/Cu1.2/CoFe2  5.50  0.80
实施例3  CoFe2/Cu0.5/CoFe2/Cu0.5/CoFe2  4.85  1.60
实施例4  CoFe1/Cu0.8/CoFe1/Cu0.8/CoFe1/Cu0.8/CoFe1/Cu0.8/CoFe1/Cu0.8/CoFe1  4.90  2.20
实施例5  CoFe1/Cu0.5/CoFe1/Cu0.5/CoFe1/Cu0.5/CoFe1/Cu0.5/CoFe1/Cu0.5/CoFe1  4.50  2.80
实施例6  CoFe2/Ru2.2/CoFe2/Ru2.2/CoFe2  7.20  0.20
实施例7  CoFe2/Ru1.0/CoFe2/Ru1.0/CoFe2  6.85  1.10
实施例8  CoFe1/Ru0.5/CoFe1/Ru0.5/CoFe1/Ru0.5/CoFe1/Ru0.5/CoFe1/Ru0.5/CoFe1  5.75  2.40
实施例9  CoFe2/Rh0.8/CoFe2/Rh0.8/CoFe2  6.35  1.80
实施例10  CoFe2/Pt0.7/CoFe2/Pt0.7/CoFe2  5.80  1.70
实施例11  CoFe2/Zr0.7/CoFe2/Zr0.7/CoFe2  5.65  1.40
实施例12  CoFe2/Ti0.7/CoFe2/Ti0.7/CoFe2  5.70  0.90
实施例13  CoFe2/FeOx1.0/CoFe2/FeOx1.0/CoFe2(1＜x＜2)  6.90  1.25
实施例14  CoFe1.5/Ta1.0/CoFe1.5/Ta1.0/CoFe1.5/Ta0.1/CoFe1.5  5.80  1.85
实施例15  CoFe2/Yo21.0/CoFe2/Y021.0/CoFe2  6.50  0.45
实施例16  CoFe2/SiO21.0/CoFe2/SiO21.0/CoFe2  6.60  0.95
实施例17  CoFe1.5/A10.7/CoFe1.5/A10.7/CoFe1.5/A10.7/CoFe1.5  5.90  2.20
实施例18  CoFe1.5/Au0.7/CoFe1.5/Au0.7/CoFe1.5Au0.7/CoFe1.5  5.40  1.40
实施例19  CoFe1.5/Nb0.7/CoFe1.5/Nb0.7/CoFe1.5/Nb0.7/CoFe1.5  6.10  1.65
从表1可明显看出，如果用通过厚1.9nm以下的薄膜在厚度方向上分断自由层形成异相界面的本发明，可使其电阻变化成为目标值0.5Ω以上。于是，可以确认通过使分断该自由层的厚度的薄膜的厚度为单原子层以上，可得到电阻变化增加的效果。(实施例20)
在该例中是由双自旋阀结构构成的综合铁氧型结构的场合，此时是Ta5/PtMn20/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Cu3/CoFe1/NiFe6/CoFe1/Cu3/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/PtMn20/Ta5。即，以在厚5nm的Ta构成的底层上依次层叠厚20nm的PtMn构成的反强磁性层、厚2nm的CoFe和厚0.9nm的Ru和厚2nm的CoFe构成的钉扎层、厚3nm的Cu构成的非磁性层、由厚1nmCoFe和厚6nm的NiFe和厚1nm的CoFe构成的自由层、厚3nm的Cu构成的非磁性层、厚2nm的CoFe和厚0.9nm的Ru和厚2nm的CoFe构成的钉扎层、厚20nm的PtMn构成的反强磁性层、厚5nm的Ta构成的覆盖层而成的综合铁氧型结构的双自旋阀结构。
在该自由层中在厚6nm的NiFe的部分中，在其厚度方向上插入厚1.2nm的Ag构成的薄膜，成为NiFe2/Ag1.2/NiFe2/Ag1.2/NiFe2，发生Ag的凝缩，即，由于表面张力球状化，由此在自由层中形成Ag粒状体。
在该叠层结构部的两面上形成厚300nm的Cu电极层。
并以0.1μm×0.1μm的大小对该叠层结构部10构图。(实施例21)～(实施例27)
是与实施例20同样的结构，只是自由层的结构变成如表2所示的那样。(比较例3)
是与实施例20同样的结构，只是自由层的结构为只由厚6nm的CoFe构成。(比较例4)
是与实施例20同样的结构，只是自由层的结构变成如表2所示的那样。
在上述的实施例20～实施例27、比较例3和比较例4的各叠层结构部中，分别在两电极之间通电10mA的电流，测量元件电阻和电阻变化。
这些测量结果和各例中产生的粒子的直径示于表2。
                              表2
插入材料和自由层的结构   粒径(nm) 元件电阻(Ω) 电阻变化量(Ω)
比较例3  NiFe6  0  7.00  0.10
比较例4  NiFe2/Ag2.2/NiFe2/Ag2.2/NiFe2  2.8  9.90  0.45
实施例20  NiFe2/Ag1.2/NiFe2/Ag1.2/NiFe2  1.9  9.15  3.15
实施例21  NiFe2/Ag0.5/NiFe2/Ag0.5/NiFe2  0.7  9.35  3.80
实施例22  NiFe1/Ag0.8/NiFe1/Ag0.8/nIfE1/Ag0.8/NiFe1/Ag0.8/NiFe1/Ag0.8/NiFe1  1.0  9.50  4.30
实施例23  NiFe1/Ag0.5/NiFe1/Ag0.5/nIfE1/Ag0.5/NiFe1/Ag0.5/NiFe1/Ag0.5/NiFe1  0.7  9.70  4.05
实施例24  NiFe1/Rh1.2/NiFe2/Rh1.2/NiFe2  1.8  9.40  3.25
实施例25  NiFe1/Rh0.5/NiFe1/Rh0.5/NiFe1/Rh0.5/NiFe1/Rh0.5/NiFe1/Rh0.5/NiFe1  0.6  9.85  3.85
实施例26  NiFe2/A10.7/NiFe2/A10.7/NiFe2  1.0  9.45  3.35
实施例27  NiFe2/Re1.2/NiFe2/Re1.2/NiFe2  1.8  9.00  2.75
从表2可明显看出，如果采用在自由层中分散粒径1.9nm以下的异相粒子的本发明，其电阻变化可以达到目标值0.5Ω以上。该异相粒子的粒径可以为单原子粒径。(实施例28)
在该例中也是由双自旋阀结构构成的综合铁氧型结构的场合，此时是Ta5/IrMn20/CoFe4/Ru0.9/CoFe4/Cu3/CoFe6/Cu3/CoFe4/Ru0.9/CoFe4/IrMn20/Ta5。即，以在厚5nm的Ta构成的底层上依次层叠厚20nm的IrMn构成的反强磁性层、厚4nm的CoFe和厚0.9nm的Ru和厚4nm的CoFe构成的钉扎层、厚3nm的Cu构成的非磁性层、由厚6nm的CoFe构成的自由层、厚3nm的Cu构成的非磁性层、厚4nm的CoFe和厚0.9nm的Ru和厚4nm的CoFe构成的钉扎层、厚20nm的IrMn构成的反强磁性层、厚5nm的Ta构成的覆盖层而成的综合铁氧型结构的双自旋阀结构。
在该钉扎层的成膜中，在其各厚4nm的CoFe的部分插入厚1.9nm的Cu构成的薄膜，成为CoFe2/Cu1.9/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Cu1.9/CoFe2的钉扎层。
在10kOe的磁场中对该结构的叠层结构部10进行270℃下4小时的退火处理。
在该叠层结构部的两面上形成厚300nm的Cu电极层。
并以0.1μm×0.1μm的大小对该叠层结构部10构图。(实施例29)～(实施例46)
是与实施例28同样的结构，只是钉扎层的结构变成如表3所示的那样。(比较例5)和(比较例6)是与实施例28同样的结构，只是钉扎层变成如表3所示的那样。
在上述的实施例29～实施例46、比较例5和比较例6的各叠层结构部中，分别在两电极之间通电10mA的电流，测量元件电阻和电阻变化。这些测量结果示于表3。
                           表3
插入材料和钉扎层的结构 元件电阻(Ω) 电阻变化量(Ω)
比较例5  CoFe4/Ru0.9/CoFe4  6.50  0.10
比较例6  CoFe2/Cu2.2/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Cu2.2/CoFe2  8.20  0.01
实施例28  CoFe2/Cu1.9/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Cu1.9/CoFe2  8.00  0.60
实施例29  CoFe2/Cu1.2/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Cu1.2/CoFe2  7.70  1.45
实施例30  CoFe2/Cu0.5/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Cu0.5/CoFe2  7.25  3.00
实施例31  CoFe2/Cu0.8/CoFe1/Cu0.8/CoFe1/Cu0.8/CoFe1/Ru0.9/CuFe1/Cu0.8/CoFe1/Cu0.8/CoFe1/Cu0.8/CoFe1  7.85  3.45
实施例32  CoFe2/Cu0.5/CoFe1/Cu0.5/CoFe1/Cu0.5/CoFe1/Ru0.9/CuFe1/Cu0.5/CoFe1/Cu0.5/CoFe1/Cu0.5/CoFe1  7.50  4.00
实施例33  CoFe2/Ru2.2/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Ru2.2/CoFe2  8.60  0.01
实施例34  CoFe2/Ru0.6/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Ru0.6/CoFe2  7.90  2.85
实施例35  CoFe2/Ru0.5/CoFe1/Ru0.5/CoFe1/Ru0.5/CoFe1/Ru0.9/CoFe1/Ru0.5/CoFe1/Ru0.5/CoFe1/Ru0.5/CoFe1  8.15  4.10
实施例36  CoFe2/Rh0.6/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Rh0.6/CoFe2  8.35  3.50
实施例37  CoFe2/Zr0.5/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Zr0.5/CoFe2  7.65  2.85
实施例38  CoFe1/Pt0.5/CoFe1/Pt0.5/CoFe1/Pt0.5/CoFe1/Ru0.9/CoFe1/Pt0.5/CoFe1/Pt0.5/CoFe1/Pt0.5/CoFe1  8.65  3.95
实施例39  CoFe2/Ti0.6/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Ti0.6/CoFe2  7.65  2.70
实施例40  CoFe2/FeOx0.5/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/FeOx0.5/CoFe2  8.80  3.00
实施例41  CoFe2/YO20.5/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/YO20.5/CoFe2  8.35  2.80
实施例42  CoFe1/Ta0.5/CoFe1/Ta0.5/CoFe1/Ta0.5/CoFe1/Ru0.9/CoFe1/Ta0.5/CoFe1/Ta0.5/CoFe1/Ta0.5/CoFe1  8.50  3.75
实施例43  CoFe2/SiO20.6/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/SiO20.6/CoFe2  8.65  2.80
实施例44  CoFe2/A10.5/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/A10.5/CoFe2  7.85  2.55
实施例45  CoFe2.5/Au0.5/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Au0.5/CoFe2  7.65  2.70
实施例46  CoFe2.5/Nb0.5/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Nb0.5/CoFe2  8.10  3.05
从表3可明显看出，如果用通过厚1.9nm以下的薄膜在厚度方向上分断自由层形成异相界面的本发明，可使其电阻变化成为目标值0.5Ω以上。于是，可以确认通过使分断该自由层的厚度的薄膜的厚度为单原子层以上，可得到电阻变化增加的效果。
(实施例47)
在该例中，是由单自旋阀结构构成的综合铁氧型结构的场合，此时是Ta5/PtMn20/CoFe4/Ru0.9/CoFe4/Cu3/CoFe6/Ta5。在其钉扎层的一部分即CoFe4/Ru0.9/CoFe4的部分中，在形成该钉扎层的中途插入1nm的Cu构成的薄膜层。
在10kOe的磁场中对该结构的叠层结构部10进行290℃下4小时的退火处理。
在该叠层结构部的两面上形成厚300nm的Cu的电极层。
并以0.1μm×0.1μm的大小对该叠层结构部10构图。(实施例48)～(实施例51)
是与实施例47同样的结构，只是钉扎层的结构变成如表4所示的那样。(比较例7)和(比较例8)
是与实施例47同样的结构，只是钉扎层的结构变成如表4所示的那样。
在上述的实施例47～实施例51、比较例7和比较例8的各叠层结构部中，分别在两电极之间通电10mA的电流，测量元件电阻和电阻变化。这些测量结果示于表4。
                        表4
插入材料和钉扎层的结构 元件电阻(Ω) 电阻变化量(Ω)
比较例7  CoFe4/Ru0.9/CoFe4  4.50  0.10
比较例8  CoFe2/Cu2.2/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Cu2.2/CoFe2  5.90  0.01
实施例47  CoFe2/Cu1.0/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Cu1.0/CoFe2  6.25  1.65
实施例48  CoFe1/Cu1.0/CoFe1/Cu1.0/CoFe1/Cu1.0/CoFe1/Ru0.9/CoFe1/Cu1.0/CoFe1/Cu1.0/CoFe1/Cu1.0/CoFe1  6.70  2.45
实施例49  CoFe2/Ru2.2/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Ru2.2/CoFe2  7.05  0.01
实施例50  CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Ru0.9/CoFe2/Ru0.9/CoFe2  6.40  2.70
实施例51  CoFe1/Ru0.9/CoFe1/Ru0.9/CoFe1/Ru0.9/CoFe1/Ru0.9/CoFe1/Ru0.9/CoFe1/Ru0.9/CoFe1/Ru0.9/CoFe1  6.95  3.30
可以看出，这样地，在钉扎层中使其叠层铁氧体多层化，结果也能产生同样的效果。
如上所述，如果采用本发明，通过不仅利用多层化直接增大MR比，还可增加元件的电阻值R，由此可实现电阻变化dR的增加。
即，虽然磁致电阻比(MR)比，因传导电子的自旋依赖性散射增大，但由于该MR比是dR/R＝MR，通过存在分断的薄膜或分散的异相粒子提高元件的电阻值R，可以实现电阻变化量dR的增加。
如上所述，如果采用本发明，通过成为CPP结构，实现微细化，把根据本发明的GMR元件作为磁检测部分构成的根据本发明的磁头通过缩小磁道宽度可实现高记录密度化，例如可以构成针对达例如100Gb/英寸2记录的再生磁头。
另外，通过把根据本发明的磁致电阻效应型磁头与例如磁感应型的例如薄膜记录磁头叠层成为一体结构，也可以构成为记录再生磁头。
而且，根据本发明的GMR元件和由其构成的磁头并不仅限于上述各实施例，可以变更成各种结构。
如上所述，在本发明的结构中，通过在自旋阀结构的自由层或钉扎层中构成为形成把薄膜层分断成多层膜状态而成的多个异相界面，或存在异相粒子，可以增加CPP结构中叠层方向的检测电流导致的与传导电子有关的自旋依赖性散射，可以提高MR比。
另外，由于对于该一定的MR比，通过提高自旋阀结构中的电阻值可以实现电阻变化的提高，由此，可以提高该自旋阀中的外部磁场的检测输出。
因此，根据本发明的磁致电阻效应型磁头中，可以实现基于来自磁记录媒体的记录信息的信号磁场的再生输出的增加。
另外，如果采用根据本发明的结构，通过成为CPP结构，实现微细化，把根据本发明的GMR元件作为磁检测部分而构成的根据本发明的磁头通过缩小磁道宽度可实现高记录密度再生。

Claims (20)

1.一种磁致电阻效应元件，其特征在于：
具有叠层结构部，该叠层结构部至少由根据外部磁场磁化旋转的自由层、钉扎层、钉扎该钉扎层的磁化的反强磁性层、夹在上述自由层和上述钉扎层之间的非磁性层层叠而成；
该磁致电阻效应元件以上述叠层结构部的大致层叠方向作为检测电流的通电方向；
上述自由层是在膜厚方向上由膜厚1.9nm以下的薄膜层分割而成的多层膜状态，形成有多个异相界面。
2.如权利要求1所述的磁致电阻效应元件，其特征在于：上述叠层结构部是夹着自由层在其两面上层叠第一和第二钉扎层、钉扎该第一和第二钉扎层的磁化的第一和第二反强磁性层、分别夹在上述自由层与上述第一和第二钉扎层之间的第一和第二非磁性层的叠层结构部。
3.一种磁致电阻效应元件，其特征在于：
具有叠层结构部，该叠层结构部至少由根据外部磁场磁化旋转的自由层、钉扎层、钉扎该钉扎层的磁化的反强磁性层、夹在上述自由层和上述钉扎层之间的非磁性层层叠而成；
该磁致电阻效应元件以上述叠层结构部的大致层叠方向作为检测电流的通电方向；
上述钉扎层是在膜厚方向上由膜厚1.9nm以下的薄膜层分割而成的多层膜状态，形成有多个异相界面。
4.如权利要求1所述的磁致电阻效应元件，其特征在于：上述叠层结构部是夹着自由层在其两面上层叠第一和第二钉扎层、钉扎该第一和第二钉扎层的磁化的第一和第二反强磁性层、分别夹在上述自由层与上述第一和第二钉扎层之间的第一和第二非磁性层的叠层结构部。
5.一种磁致电阻效应元件，其特征在于：
具有叠层结构部，该叠层结构部至少由根据外部磁场磁化旋转的自由层、钉扎层、钉扎该钉扎层的磁化的反强磁性层、夹在上述自由层和上述钉扎层之间的非磁性层层叠而成；
该磁致电阻效应元件以上述叠层结构部的大致层叠方向作为检测电流的通电方向；
上述自由层构成为在该自由层内分散有异相粒子。
6.如权利要求5所述的磁致电阻效应元件，其特征在于：上述叠层结构部是夹着自由层在其两面上层叠第一和第二钉扎层、钉扎该第一和第二钉扎层的磁化的第一和第二反强磁性层、分别夹在上述自由层与上述第一和第二钉扎层之间的第一和第二非磁性层的叠层结构部。
7.如权利要求5或6所述的磁致电阻效应元件，其特征在于：上述异相粒子具有1.9nm以下的粒径。
8.一种磁致电阻效应元件，其特征在于：
具有叠层结构部，该叠层结构部至少由根据外部磁场磁化旋转的自由层、钉扎层、钉扎该钉扎层的磁化的反强磁性层、夹在上述自由层和上述钉扎层之间的非磁性层层叠而成；
该磁致电阻效应元件以上述叠层结构部的大致层叠方向作为检测电流的通电方向；
上述钉扎层构成为在该钉扎层内分散有异相粒子。
9.如权利要求8所述的磁致电阻效应元件，其特征在于：上述叠层结构部是夹着自由层在其两面上层叠第一和第二钉扎层、钉扎该第一和第二钉扎层的磁化的第一和第二反强磁性层、分别夹在上述自由层与上述第一和第二钉扎层之间的第一和第二非磁性层的叠层结构部。
10.如权利要求8或9所述的磁致电阻效应元件，其特征在于：上述异相粒子具有1.9nm以下的粒径。
11.一种磁致电阻效应型磁头，其特征在于：
其磁检测部分具有叠层结构部，该叠层结构部至少由根据外部磁场磁化旋转的自由层、钉扎层、钉扎该钉扎层的磁化的反强磁性层、夹在上述自由层和上述钉扎层之间的非磁性层层叠而成；
该磁致电阻效应磁头以上述叠层结构部的大致层叠方向作为检测电流的通电方向；
上述自由层是在膜厚方向上由膜厚1.9nm以下的薄膜层分割而成的多层膜状态，形成有多个异相界面。
12.如权利要求11所述的磁致电阻效应型磁头，其特征在于：上述叠层结构部是夹着自由层在其两面上层叠第一和第二钉扎层、钉扎该第一和第二钉扎层的磁化的第一和第二反强磁性层、分别夹在上述自由层与上述第一和第二钉扎层之间的第一和第二非磁性层的叠层结构部。
13.一种磁致电阻效应型磁头，其特征在于：
其磁检测部分具有叠层结构部，该叠层结构部至少由根据外部磁场磁化旋转的自由层、钉扎层、钉扎该钉扎层的磁化的反强磁性层、夹在上述自由层和上述钉扎层之间的非磁性层层叠而成；
该磁致电阻效应磁头以上述叠层结构部的大致层叠方向作为检测电流的通电方向；
上述钉扎层是在膜厚方向上由膜厚1.9nm以下的薄膜层分割而成的多层膜状态，形成有多个异相界面。
14.如权利要求13所述的磁致电阻效应型磁头，其特征在于：上述叠层结构部是夹着自由层在其两面上层叠第一和第二钉扎层、钉扎该第一和第二钉扎层的磁化的第一和第二反强磁性层、分别夹在上述自由层与上述第一和第二钉扎层之间的第一和第二非磁性层的叠层结构部。
15.一种磁致电阻效应型磁头，其特征在于：
其磁检测部分具有叠层结构部，该叠层结构部至少由根据外部磁场磁化旋转的自由层、钉扎层、钉扎该钉扎层的磁化的反强磁性层、夹在上述自由层和上述钉扎层之间的非磁性层层叠而成；
该磁致电阻效应磁头以上述叠层结构部的大致层叠方向作为检测电流的通电方向；
上述自由层构成为在该自由层内分散有异相粒子。
16.如权利要求15所述的磁致电阻效应磁头，其特征在于：上述叠层结构部是夹着自由层在其两面上层叠第一和第二钉扎层、钉扎该第一和第二钉扎层的磁化的第一和第二反强磁性层、分别夹在上述自由层与上述第一和第二钉扎层之间的第一和第二非磁性层的叠层结构部。
17.如权利要求15或16所述的磁致电阻效应磁头，其特征在于：上述异相粒子具有1.9nm以下的粒径。
18.一种磁致电阻效应型磁头，其特征在于：
其磁检测部分具有叠层结构部，该叠层结构部至少由根据外部磁场磁化旋转的自由层、钉扎层、钉扎该钉扎层的磁化的反强磁性层、夹在上述自由层和上述钉扎层之间的非磁性层层叠而成；
该磁致电阻效应磁头以上述叠层结构部的大致层叠方向作为检测电流的通电方向；
上述钉扎层构成为在该钉扎层内分散有异相粒子。
19.如权利要求18所述的磁致电阻效应磁头，其特征在于：上述叠层结构部是夹着自由层在其两面上层叠第一和第二钉扎层、钉扎该第一和第二钉扎层的磁化的第一和第二反强磁性层、分别夹在上述自由层与上述第一和第二钉扎层之间的第一和第二非磁性层的叠层结构部。
20.如权利要求18或19所述的磁致电阻效应磁头，其特征在于：上述异相粒子具有1.9nm以下的粒径。
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