CN1707616A - 磁阻效应薄膜和磁阻效应磁头 - Google Patents
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Abstract
一种具有用于使被钉扎磁性层的磁化方向固定的磁性氧化物层并且MR比较高的磁阻效应薄膜。该磁阻效应薄膜具有层叠结构，其中取向控制层、磁性氧化物层、被钉扎磁性层、非磁性中间层和自由磁性层按照该顺序层叠，其中该取向控制层是由具有氯化钠(NaCl)晶体结构的氧化物制成或包括具有氯化钠(NaCl)晶体结构的氧化物的氧化物层，该氯化钠(NaCl)型晶体结构的氧化物的能带宽度大于等于1eV，并且它在室温下是不可磁化的，而且其中所述磁性氧化物层是包括含钴铁氧体的氧化物层。
Description
技术领域
本发明涉及具有高磁阻比(MR比)的磁阻效应薄膜以及包括所述磁阻效应薄膜的磁阻效应磁头。
背景技术
硬盘的表面记录密度越来越高。通过提高表面记录密度，可以减小每个位所需的硬盘面积，因而在硬盘驱动单元中就需要高灵敏度的再生磁头。
图5中示出传统磁阻效应薄膜的基本结构。其中堆叠了反铁磁层11、被钉扎磁性层(pinned magnetic layer)4、非磁性中间层5、自由磁性层6和保护层7。即使从记录介质(硬盘)向被钉扎磁性层4施加磁场，被钉扎磁性层4的磁化方向也必须固定。为了固定磁化方向，提供了由反铁磁材料例如铂-锰(PtMn)制成的反铁磁层11来联系被钉扎磁性层4。通过这种结构，该层4和11通过其间的交换耦合磁场进行耦合，从而可以固定被钉扎磁性层4的磁化方向。
磁阻效应是由层4、5和6的界面上流动的电子引起的。但是，由于反铁磁层11通常由合金制成，所以电流在层11中流动。该电流称为分路电流，它可降低MR比。反铁磁层11的合金的电阻率大于其它层4、6等的电阻率，但是层11的厚度相对于磁阻效应薄膜的总厚度而言较大(例如是大约40％)，因此不能忽略流过层11的分路电流。
在以下两篇文献中公开了使用绝缘材料代替反铁磁层11的方法：(1)M.J.Carey，S.Maat，R.Farrow，R.Marks，P.Nguyen，P.Rice，A Kellock和B.A.Gumey，Digest Intermag Europe 2002，BP2；和(2)S.Maat，M.J.Carey，Eric E.Fullerton，T.X.Le，P.M.Rice和B.A.Gumey，Appl.Phys.Lett.(应用物理快报)81，520(2002)。在这两篇文献中，使用了钴铁氧体(CoFe2O4)代替传统磁阻效应薄膜的反铁磁层11。钴铁氧体是绝缘材料并且是具有大矫顽力的铁磁性材料。因此，可以在减小分路电流的同时固定被钉扎磁性层4的磁化方向。尤其是，在文献(2)中，将钴的氧化物例如CoO、Co3O4用作钴铁氧体的基体层(取向控制层)。与没有基体层的磁阻效应薄膜相比，MR比会增大。
图6中示出了具有铁磁性材料例如钴铁氧体的磁阻效应薄膜的ρ-H(电阻率-外部磁场依赖关系)特征的例子。图6中定义的耦合磁场Hc(pin)强度决定于氧化物磁性层和被钉扎磁性层之间的交换耦合磁场强度。Hc(pin)值影响磁阻效应薄膜的长期可靠性，因此在Hc(pin)值保持很大时必定会提高MR比，从而大大提高磁记录密度。
发明内容
本发明旨在解决传统磁阻薄膜存在的问题。
本发明的目的是提供一种磁阻效应薄膜，该磁阻效应薄膜具有用于固定被钉扎磁性层的磁化方向的磁性氧化物层并且具有较大的MR比。
另一目的是提供采用该磁阻效应薄膜的磁阻效应磁头。
为了达到上述目的，本发明具有以下结构。
即，该磁阻效应薄膜的第一基本结构具有层叠结构，其中取向控制层、磁性氧化物层、被钉扎磁性层、非磁性中间层和自由磁性层按照该顺序层叠，其中该取向控制层是由具有氯化钠(NaCl)型晶体结构的氧化物制成或者包括具有氯化钠(NaCl)型晶体结构的氧化物的氧化物层，该氯化钠(NaCl)型晶体结构的氧化物能带宽度大于或等于1eV，并且它在室温下是不可磁化的，而且其中该磁性氧化物层是包括含钴铁氧体的氧化物层。
该磁阻效应薄膜的第二基本结构具有层叠结构，其中取向控制层、磁性氧化物层、被钉扎磁性层、非磁性中间层和自由磁性层按照该顺序层叠，其中该取向控制层是由金属氧化物制成或包括金属氧化物的氧化物层，该金属氧化物具有至少一个0.406-0.432nm的晶格常数，其能带宽度大于或等于1eV，并且它在室温下是不可磁化的，而且其中该磁性氧化物层是包括含钴铁氧体的氧化物层。
该磁阻效应薄膜的第三基本结构具有层叠结构，其中取向控制层、磁性氧化物层、被钉扎磁性层、非磁性中间层和自由磁性层按照该顺序层叠，其中该取向控制层是由金属氧化物制成或包括金属氧化物的氧化物层，该金属氧化物具有至少一个0.813-0.863nm的晶格常数，其能带宽度大于或等于1eV，并且它在室温下是不可磁化的，而且其中该磁性氧化物层是包括含钴铁氧体的氧化物层。
此外，本发明磁阻效应磁头包括任何磁阻效应薄膜。
在本发明中，该磁阻效应薄膜的MR比可以比文献(2)中公开的采用氧化钴作为取向控制层的传统薄膜的MR比更大。此外，该耦合磁场的Hc(pin)值可以几乎等于其中使用了氧化钴的传统薄膜的值。因此，在本发明中，可以在保持Hc(pin)值较大的情况下提高MR比，因此磁性硬盘的记录密度可以越来越高。
附图说明
现在将通过实施例并参考附图说明本发明的实施方式，其中：
图1是本发明实施方式的磁阻效应薄膜的说明图；
图2是磁阻效应磁头的说明图；
图3是具有复合铁磁结构的磁阻效应薄膜的说明图；
图4是具有双重结构的磁阻效应薄膜的说明图；
图5是传统磁阻效应薄膜的说明图；和
图6是示出采用铁磁性材料的传统磁阻效应薄膜的ρ-H(电阻率-外部磁场依赖关系)特征并且确定Hc(pin)值的曲线图。
具体实施方式
现在将参考附图详细说明本发明的优选实施方式。
图1示出了本发明实施方式的磁阻效应薄膜的基本结构。用作取向控制层的氧化镁层2上形成了包括含钴铁氧体的氧化物层3，并且被钉扎磁性层4、非磁性中间层5、自由磁性层6和保护层7按照该顺序层叠在氧化物层3上。
发明人进行了以下实验。
通过磁控管溅射在硅衬底上形成了三个磁阻效应薄膜的样品。该样品具体如下：
样品“A”：CoFe2O4 10/CoFe/Cu/Co/NiFe/Cu/Ta[nm]
样品“B”：(CoO_Co3O4)10/CoFe2O4 10/CoFe/Cu/Co/NiFe/Cu/Ta[nm]
样品“C”：MgO 10/CoFe2O4 10/CoFe/Cu/Co/NiFe/Cu/Ta[nm]
注意，从底层开始，CoFe层是被钉扎磁性层4；Cu层是非磁性中间层5；Co/NiFe层是自由磁性层6；Cu层是非磁性层；Ta层是保护层7。
样品“A”没有取向控制层；样品“B”在文献(2)中公开了；样品“C”相当于本实施方式的磁阻效应薄膜。在样品“B”中，氧化钴(CuO和Co3O4的固溶体)用作取向控制层；在样品“C”中，具有氯化钠(NaCl)型晶体结构的氧化镁用作取向控制层。在所有样品“A”、“B”和“C”中，钴铁氧体用作磁性氧化物层，而且磁性氧化物层之上的层结构相同。
在表格中示出了样品“A”、“B”和“C”的特性。
表格
| MR比[％] | Δρ/t[Ω] | ρ/t[Ω] | Hc(pin)[k A/m] | |
| 样品“A” | 13.42 | 4.87 | 36.3 | 161 |
| 样品“B” | 15.38 | 5.06 | 32.9 | 281 |
| 样品“C” | 17.61 | 5.61 | 31.8 | 274 |
样品“A”的MR比是13.42％；样品“B”的MR比是15.38％，大于样品“A”；样品“C”的MR比是17.61％，大于样品“B”。
样品“A”的Hc(pin)值小于其它样品，但是样品“B”和“C”的Hc(pin)值几乎相等。
样品“A”的薄膜电阻(ρ/t)是36.3Ω；样品“B”的薄膜电阻是32.9Ω，小于样品“A”；样品“C”的薄膜电阻是31.8Ω，小于样品“B”。样品“C”中薄膜电阻的减少是由于整个薄膜结晶度的提高引起的。通过提高结晶度，减少了晶粒边界并限制了电子的散射。根据该结果，通过使用取向控制层，可以提高磁阻薄膜的结晶度，并且提高其MR比。作为取向控制层，氧化镁比氧化钴更好。
在另一实施方式中，取向控制层可以用作绝缘间隔层。图2示出了该实施方式。在图2中，在下磁性屏蔽层1上形成氧化镁层2作为下绝缘间隔层。然后，在该氧化物层2上形成磁阻薄膜，在该磁阻薄膜中包括含钴铁氧体的氧化物层3、被钉扎磁性层4、非磁性中间层5、自由层6和保护层7按照该顺序层叠。该磁阻效应薄膜的两个侧表面都通过离子铣削进行蚀刻，使得它们形成为倾斜表面。在该磁阻效应薄膜的两侧上都分别形成磁性偏置层和电极8。上绝缘间隔层9使上磁性屏蔽层10与电极和磁阻效应薄膜电绝缘。
氧化铝通常用于绝缘间隔层。在图2所示的实施方式中，氧化物例如氧化镁用作绝缘间隔层和磁阻效应薄膜的取向控制层。
在图2中，整个绝缘间隔层由取向控制层的材料制成。在多层绝缘间隔层的情况下，最上层必须由取向控制层的材料制成。与其中取向控制层和绝缘间隔层分开形成的磁阻效应薄膜相比，本实施方式的间隔长度即下屏蔽层1和上屏蔽层10之间的距离(见图2)可以缩短。通过缩短该间隔长度，可以提高再生磁头的分辨率，因而可以提高磁盘的磁记录密度。
在采用取向控制层作为绝缘间隔层的情况下，希望取向控制层的材料具有高绝缘性，并且在室温下不可磁化。如果像文献(2)中那样使用氧化钴作为取向控制层，将会出现以下问题。首先，氧化钴的能带宽度低(0.6-0.7eV)，因此氧化钴具有类似半导体的性质。因此，绝缘性不好的可能性必定很高。氧化钴是反铁磁性材料，其奈尔温度大约为290K，因此它在规定温度范围内将与下屏蔽层1交换耦合。如果氧化钴与下屏蔽层1耦合，下屏蔽层1的软磁特性将变差，因而会降低磁性屏蔽功能。但是，本实施方式的氧化镁是不可磁化的材料，并且能带宽度大约为7.3V。因此，不会出现氧化钴的上述问题。从绝缘性和非磁性方面来看，作为取向控制层或绝缘间隔层的氧化镁比氧化钴优异。
二氧化钠(NaO2)、一氧化镁(MgO)、二氧化钾(KO2)、一氧化钙(CaO)、一氧化钪(ScO)、一氧化钛(TiO)、一氧化钒(VO)、一氧化锰(MnO)、一氧化铁(FeO)、一氧化锶(SrO)、一氧化镉(CdO)、一氧化钡(BaO)、一氧化钽(TaO)、一氧化铈(CeO)、一氧化钕(NdO)、一氧化钐(SmO)和一氧化镱(YbO)具有NaCl型晶体结构和高绝缘性，它们和氧化镁一样在室温下不可磁化。因此，上述组中选出的一种氧化物或者包含上述组中选出的一种氧化物的固溶体可以用于取向控制层或绝缘间隔层。
此外，能够与氧化物层3的钴铁氧体晶格匹配的其它材料可以用于取向控制层或绝缘间隔层。钴铁氧体是构成四个亚晶格的立方晶系，其晶格常数是0.838nm。因此，它能与晶格常数大约为0.419nm或0.838nm的材料晶格匹配。如果晶格失配率小于或等于3％，就有晶格匹配的可能性。因此，适合晶格匹配的晶格常数范围是0.406-0.432nm和0.813-0.863nm。
具有高绝缘性并且在室温下不可磁化的氧化物材料是已知的。晶格常数在0.406-0.432nm范围内的氧化物材料是二氧化钠(NaO2)、一氧化镁(MgO)、三氧化钾(KO3)、一氧化钛(TiO)、一氧化钒(VO)、一氧化铁(FeO)、一氧化铜(Cu2O)、二氧化铷(Rb2O2)、一氧化铌(NbO)、一氧化铯(Cs2O)、和二氧化铯(Cs2O2)。晶格常数在0.813-0.863nm范围内的材料是三氧化铬(CrO3)。
图3和4示出了本发明磁阻效应薄膜的其它实施方式。
图1中所示的磁阻效应薄膜具有一层被钉扎磁性层4。但是在图3所示的实施方式中，该被钉扎磁性层具有由第一被钉扎磁性层4a、中间耦合层4c和第二被钉扎磁性层4b组成的三层结构。这种结构称为“复合铁磁结构”。钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)、铬(Cr)等用于中间耦合层4c。第一和第二被钉扎磁性层4a和4b由中间耦合层4c反铁磁性耦合。通过这种结构可以提高Hc(pin)值，因而可以提高磁阻效应薄膜的长期可靠性。
在图4的实施方式中，取向控制层(氧化镁层)2、第一磁性氧化物层3a、第一被钉扎磁性层4a、第一非磁性中间层5a、自由磁性层6、第二非磁性中间层5b、第二被钉扎磁性层4b、反铁磁层(或第二磁性氧化物层)3b和保护层7按照该顺序层叠。在该薄膜中包括两个磁阻效应部分，每个磁阻效应部分都由被钉扎磁性层、非磁性层和自由磁性层组成以获得磁阻效应。这种结构称为“双重结构”。通过采用这种双重结构，可以获得大MR比。铂-锰(PtMn)、钯-铂-锰(PdPtMn)、铱-锰(IrMn)等用于反铁磁层3b。此外，可以形成由例如包括含钴铁氧体的氧化物制成的第二磁性氧化物层代替反铁磁层3b。注意，第一被钉扎磁性层4a和第二被钉扎磁性层4b可以具有像图3所示实施方式那样的复合铁磁结构。
本发明可以在不脱离其实质特点和精神的情况下，以其它特定形式体现出来。因此，本发明实施方式均应该看成是解释性的，而不是限制性的，因此，本发明包括由附带的权利要求(而非上述说明书)表述的本发明的范围以及符合该权利要求的含义和等同范围的所有变化形式。
Claims (20)
1、一种具有层叠结构的磁阻效应薄膜，其中取向控制层、磁性氧化物层、被钉扎磁性层、非磁性中间层和自由磁性层按照该顺序层叠，
其中，所述取向控制层是由具有氯化钠(NaCl)型晶体结构的氧化物制成或者包括具有氯化钠(NaCl)型晶体结构的氧化物的氧化物层，该氯化钠(NaCl)型晶体结构的氧化物的能带宽度大于或等于1eV，并且它在室温下是不可磁化的，而且
其中，所述磁性氧化物层是包括含钴铁氧体的氧化物层。
2、根据权利要求1所述的磁阻效应薄膜，
其中，具有氯化钠型晶体结构的所述取向控制层的氧化物是选自包括以下物质的组中的一种物质，或者是包含选自所述组中的一种物质的固溶体：二氧化钠(NaO2)、一氧化镁(MgO)、二氧化钾(KO2)、一氧化钙(CaO)、一氧化钪(ScO)、一氧化钛(TiO)、一氧化钒(VO)、一氧化锰(MnO)、一氧化铁(FeO)、一氧化锶(SrO)、一氧化镉(CdO)、一氧化钡(BaO)、一氧化钽(TaO)、一氧化铈(CeO)、一氧化钕(NdO)、一氧化钐(SmO)和一氧化镱(YbO)。
3、一种具有层叠结构的磁阻效应薄膜，其中取向控制层、磁性氧化物层、被钉扎磁性层、非磁性中间层和自由磁性层按照该顺序层叠，
其中，所述取向控制层是由金属氧化物制成或包括金属氧化物的氧化物层，该金属氧化物具有至少一个0.406-0.432nm的晶格常数，其能带宽度大于或等于1eV，并且它在室温下是不可磁化的，而且
其中，所述磁性氧化物层是包括含钴铁氧体的氧化物层。
4、根据权利要求3所述的磁阻效应薄膜，
其中，所述取向控制层的氧化物是选自包括以下物质的组中的一种物质，或者是包含选自所述组中的一种物质的固溶体：二氧化钠(NaO2)、一氧化镁(MgO)、三氧化钾(KO3)、一氧化钛(TiO)、一氧化钒(VO)、一氧化铁(FeO)、一氧化铜(Cu2O)、二氧化铷(Rb2O2)、一氧化铌(NbO)、一氧化铯(Cs2O)和二氧化铯(Cs2O2)。
5、一种具有层叠结构的磁阻效应薄膜，其中取向控制层、磁性氧化物层、被钉扎磁性层、非磁性中间层和自由磁性层按照该顺序层叠，
其中，所述取向控制层是由金属氧化物制成或包括金属氧化物的氧化物层，该金属氧化物具有至少一个0.813-0.863nm的晶格常数，其能带宽度大于或等于1eV，并且它在室温下是不可磁化的，而且
其中，所述磁性氧化物层是包括含钴铁氧体的氧化物层。
6、根据权利要求5所述的磁阻效应薄膜，
其中，所述取向控制层由三氧化铬(CrO3)或包含三氧化铬(CrO3)的固溶体制成。
7、根据权利要求1所述的磁阻效应薄膜，
其中，所述取向控制层用作绝缘间隔层的一部分或全部。
8、根据权利要求1所述的磁阻效应薄膜，
其中，所述被钉扎磁性层包括第一被钉扎磁性层、中间耦合层和第二被钉扎磁性层，而且
其中，该第一被钉扎磁性层和该第二被钉扎磁性层通过交换耦合磁场反铁磁性耦合。
9、根据权利要求8所述的磁阻效应薄膜，
其中，所述中间耦合层是由选自包括钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)和铬(Cr)的组中的一种金属或者包括选自所述组中的至少一种金属的合金制成的。
10、一种包括具有层叠结构的磁阻效应薄膜的磁阻效应磁头，在该层叠结构中，取向控制层、磁性氧化物层、被钉扎磁性层、非磁性中间层和自由磁性层按照该顺序层叠，
其中，所述取向控制层是由具有氯化钠(NaCl)型晶体结构的氧化物制成或者包括具有氯化钠(NaCl)型晶体结构的氧化物的氧化物层，该氯化钠(NaCl)型晶体结构的氧化物的能带宽度大于或等于1eV，并且它在室温下是不可磁化的，而且
其中，所述磁性氧化物层是包括含钴铁氧体的氧化物层。
11、根据权利要求10所述的磁阻效应磁头，
其中，具有氯化钠型晶体结构的所述取向控制层的氧化物是选自包括以下物质的组中的一种物质，或者是包含选自所述组中的一种物质的固溶体：二氧化钠(NaO2)、一氧化镁(MgO)、二氧化钾(KO2)、一氧化钙(CaO)、一氧化钪(ScO)、一氧化钛(TiO)、一氧化钒(VO)、一氧化锰(MnO)、一氧化铁(FeO)、一氧化锶(SrO)、一氧化镉(CdO)、一氧化钡(BaO)、一氧化钽(TaO)、一氧化铈(CeO)、一氧化钕(NdO)、一氧化钐(SmO)和一氧化镱(YbO)。
12、根据权利要求10所述的磁阻效应磁头，
其中，所述取向控制层用作绝缘间隔层的一部分或全部。
13、根据权利要求10所述的磁阻效应磁头，
其中，所述被钉扎磁性层包括第一被钉扎磁性层、中间耦合层和第二被钉扎磁性层，而且
其中，该第一被钉扎磁性层和该第二被钉扎磁性层通过交换耦合磁场反铁磁性耦合。
14、一种包括具有层叠结构的磁阻效应薄膜的磁阻效应磁头，在该层叠结构中，取向控制层、磁性氧化物层、被钉扎磁性层、非磁性中间层和自由磁性层按照该顺序层叠，
其中，所述取向控制层是由金属氧化物制成或包括金属氧化物的氧化物层，该金属氧化物具有至少一个0.406-0.432nm的晶格常数，其能带宽度大于或等于1eV，并且它在室温下是不可磁化的，而且
其中，所述磁性氧化物层是包括含钴铁氧体的氧化物层。
15、根据权利要求14所述的磁阻效应磁头，
其中所述取向控制层的氧化物是选自包括以下物质的组中的一种物质，或者是包含选自所述组中的一种物质的固溶体：二氧化钠(NaO2)、一氧化镁(MgO)、三氧化钾(KO3)、一氧化钛(TiO)、一氧化钒(VO)、一氧化铁(FeO)、一氧化铜(Cu2O)、二氧化铷(Rb2O2)、一氧化铌(NbO)、一氧化铯(Cs2O)和二氧化铯(Cs2O2)。
16、根据权利要求14所述的磁阻效应磁头，
其中，所述取向控制层用作绝缘间隔层的一部分或全部。
17、根据权利要求14所述的磁阻效应磁头，
其中，所述被钉扎磁性层包括第一被钉扎磁性层、中间耦合层和第二被钉扎磁性层，而且
其中，该第一被钉扎磁性层和该第二被钉扎磁性层通过交换耦合磁场反铁磁性耦合。
18、一种包括具有层叠结构的磁阻效应薄膜的磁阻效应磁头，在该层叠结构中，取向控制层、磁性氧化物层、被钉扎磁性层、非磁性中间层和自由磁性层按照该顺序层叠，
其中，所述取向控制层是由金属氧化物制成或包括金属氧化物的氧化物层，该金属氧化物具有至少一个0.813-0.863nm的晶格常数，其能带宽度大于或等于1eV，并且它在室温下是不可磁化的，而且
其中，所述磁性氧化物层是包括含钴铁氧体的氧化物层。
19、根据权利要求18所述的磁阻效应磁头，
其中，所述取向控制层由三氧化铬(CrO3)或包含三氧化铬(CrO3)的固溶体制成。
20、根据权利要求18所述的磁阻效应磁头，
其中，所述取向控制层用作绝缘间隔层的一部分或全部。
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