CN1758341A

CN1758341A - 磁致电阻元件、磁头、磁记录装置以及磁存储器

Info

Publication number: CN1758341A
Application number: CN200510099817.XA
Authority: CN
Inventors: 福泽英明; 汤浅裕美; 岩崎仁志
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: JP4594679B2; US8213129B2; CN101604530A; CN100446086C; US20060050444A1; JP2006073875A

Abstract

一种磁致电阻元件，包括至少三个金属磁性层；提供在至少三个金属磁性层之间的至少两个连接层，每个连接层都具有绝缘层以及包括穿透绝缘层的金属磁性材料的电流受限通路；和垂直于金属磁性层和连接层的堆叠薄膜的平面提供电流的电极。

Description

磁致电阻元件、磁头、磁记录装置以及磁存储器

相关申请的交叉引用

本申请是以2004年9月3日提交的先前日本专利申请No.2004-257123为基础并要求其优先权，所述申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种磁致电阻元件，以及使用该磁致电阻元件的磁头、磁记录装置和磁存储器，该磁致电阻元件具有其中电流被垂直于元件表面提供的结构。

背景技术

通过发现磁性薄膜的堆叠结构中的巨磁电阻效应(GMR)，明显地提高了磁性器件的性能。特别地，自旋阀薄膜(SV薄膜)具有容易应用到磁性器件使得有效产生GMR效应的结构。因此，自旋阀薄膜为磁头和诸如MRAM(磁随机存取存储器)的磁性器件带来了显著的技术改进。

“自旋阀薄膜”是一种堆叠薄膜，其具有在两个铁磁性层之间插入非磁性金属间隔层的结构。在自旋阀薄膜中，一个铁磁性层(称作“固定层”或“磁化固定层”)的磁化被反铁磁性层等钉扎，而其它铁磁性层(称作“自由层”或“磁化自由层”)的磁化可按照外部场(例如，媒介场)转动。在自旋阀薄膜中，能够通过改变固定层与自由层的磁化方向之间的相对角度来产生巨磁电阻改变。

传统的自旋阀薄膜是CIP(电流位于平面内)-GMR元件，其中平行于元件平面来施加读出电流。近年来，已经对CPP(电流垂直于平面)-GMR元件(以下称作“CPP元件”)产生了很多的关注，在该元件中基本上垂直于元件平面来施加读出电流。

当这样的磁致电阻元件应用到磁头时，较高的元件电阻在散射噪声和高频响应方面引起一些问题。在RA(电阻和面积之积)方面评价元件电阻是恰当的。具体地，在记录密度为200Gbpsi(每平方英寸吉比特)时RA必须小于1Ωμm²。

与这些要求有关，CPP元件是有利的，其中元件的电阻取决于它的面积，所以元件尺寸的降低会增加电阻的变化。因此在逐步降低磁性器件尺寸的趋势下，CPP元件是可有利应用的。在该环境下，CPP元件以及使用该元件的磁头被期望成为有希望的候选者，以获得200Gbpsi至1Tbpsi(每平方英寸兆兆比特)的记录密度。但是，使用由非磁性金属形成的间隔层的CPP元件只表现出非常小的电阻改变。因此CPP元件很难提供高的输出信号。

为了部分解决该问题，提出了一种CPP(电流受限通路)元件，其使用包括绝缘层的间隔层，其中形成了穿透绝缘层的由非磁性金属构成的细小的电流通路(电流受限通路)。这样的CPP元件(以下称作CCP-CPP元件)表现出电流限制效果，并提供了比使用非磁性金属间隔层的简单CPP元件高的输出信号。但是，如果CCP-CPP元件被应用到用于高密度记录的磁头时，其MR比率可能仍然不够。

已经提出了一种其MR比率足够适用于高记录密度的元件，该元件具有间隔层，在间隔层的氧化层内的电流受限通路由金属磁性材料形成并使用弹道磁致电阻(BMR)效应(以下称作BMR元件)。例如，见Jpn.Pat.Appln.Publication No.2003-204095。但是，BMR元件能够提供高的MR比的物理原理仍然是未知的。因此，不能简单的通过在磁性通路中产生弹道传导来获得高的MR比。实际上，仍然没有关于薄膜堆叠结构的BMR元件已经获得了比传统CPP元件所能获得的MR比更高的报道。因此期望提供能够基于新机理获得高MR比的MR元件。

除了仍然没有实验确认薄膜堆叠结构的BMR元件能够获得高MR比的问题之外，传统的BMR元件还具有另一个问题。该另一个问题是由在固定层与自由层之间提供电流受限层的结构导致的，电流受限层包括绝缘层以及穿透绝缘层的由磁性金属材料形成的细小的电流受限通路。当使用包括绝缘层的电流受限层时，其中绝缘层具有在其中形成的由磁性金属材料构成的电流受限通路，可以增加在固定层与自由层之间的层间耦合场H_in的大小，这不利于防止自由层的磁化相对外部场进行转动。此处，考虑到实际使用，在传统自旋阀薄膜中H_in的最大值据说被限制在大约20Oe。但是，对于CCP-CPP元件和BMR元件，增加电流受限层的厚度(也就是绝缘层的厚度)是不利的。因此，即使是具有由非磁性金属材料形成的电流受限通路的CCP-CPP元件，如果工艺条件不适当，H_in的值也可能高于20Oe。对于具有由金属磁性材料形成的电流受限通路的BMR元件，很难将H_in的值降低到小于20Oe的水平。因此很难将BMR元件投入实际应用。因此，使用所谓的BMR元件不能够简单地实现实际的元件。而且，如上所述，基于BMR元件能够提供高MR比的结构的物理原理仍然是未知的。因此，如果仅能够降低H_in，在目前薄膜堆叠结构的BMR元件仍不能实验性地实现高MR比。

发明内容

按照本发明一个方面的一种磁致电阻元件，包括：至少三个金属磁性层；提供在至少三个金属磁性层之间的至少两个连接层，每个连接层都具有绝缘层以及包括穿透绝缘层的金属磁性材料的电流受限通路；和电极，其垂直于金属磁性层和连接层的堆叠薄膜的平面提供电流。

按照本发明另一个方面的一种磁致电阻元件，包括：至少三个金属磁性层；提供在至少三个金属磁性层之间的至少两个非磁性金属层；和电极，其垂直于金属磁性层和非磁性金属层的堆叠薄膜的平面提供电流。

按照本发明又一个方面的一种磁致电阻元件，包括：至少三个金属磁性层；提供在至少三个金属磁性层之间的至少两个层，至少两个层的每个层选自于具有绝缘层以及包括穿透绝缘层的金属磁性材料的电流受限通路的连接层、非磁性金属层、或连接层与非磁性金属层的叠层；和电极，其垂直于金属磁性层和连接层的堆叠薄膜的平面提供电流。

按照本发明的一种磁头，包括上述的磁致电阻元件。按照本发明的一种磁记录装置，包括磁记录介质和上述的磁头。按照本发明的一种磁存储器，包括上述的磁致电阻元件。

附图说明

图1A和1B分别是按照本发明实施例的磁致电阻元件的主要部分的剖面图；

图2A、2B和2C是在按照本发明实施例的磁致电阻元件中金属磁性层的磁化方向的图解；

图3是按照本发明实施例的磁致电阻元件中包含的连接层的薄膜表面的平面图；

图4是按照本发明实施例的磁致电阻元件的透视图；

图5A和5B分别是按照本发明另一个实施例的磁致电阻元件的主要部分的剖面图；

图6是按照本发明又一个实施例的磁致电阻元件的主要部分的剖面图；

图7A和7B分别是按照本发明再一个实施例的磁致电阻元件的主要部分的剖面图；

图8是按照本发明另一个实施例的磁致电阻元件的主要部分的剖面图；

图9是按照本发明另一个实施例的磁致电阻元件的主要部分的剖面图；

图10是按照本发明另一个实施例的磁致电阻元件的主要部分的剖面图；

图11是按照本发明另一个实施例的磁致电阻元件的主要部分的剖面图；

图12是按照本发明实施例的磁头的剖面图；

图13是按照本发明实施例的磁头的剖面图；

图14是按照本发明实施例的磁记录装置的透视图；

图15是按照本发明实施例的磁头组件的透视图；

图16是按照本发明实施例的磁存储器的矩阵配置的示例图；

图17是按照本发明实施例的磁存储器的矩阵配置的另一个示例图；

图18是按照本发明实施例的磁存储器的主要部分的剖面图；

图19是沿着图18中线A-A′的磁存储器的剖面图。

具体实施方式

图1A显示了按照本发明实施例的磁致电阻元件(也称作弹簧自旋阀薄膜)的主要部分的剖面图。在此图中，金属磁性层1a、连接层2a、金属磁性层1b、连接层2b、金属磁性层1c、连接层2c、金属磁性层1d、连接层2d、金属磁性层1e、连接层2e、以及金属磁性层1f被堆叠在一起。连接层2a至2e的每一层都包括绝缘层3以及由穿透绝缘层3的金属磁性层形成的电流受限通路4。含有金属磁性材料的电流受限通路电连接邻近的金属磁性层(以形成欧姆接触)。在图1A所示的堆叠薄膜下提供下电极、缓冲层、钉扎层等。在图1A所示的堆叠薄膜上提供覆盖层、上电极等。垂直于图1A所示的堆叠薄膜的平面来提供电流。

在图1A所示的堆叠薄膜中，邻近的金属磁性层通过夹在中间的连接层而弱磁性地耦合。将参照图2A、2B和2C说明在零外部场(媒介场)以及在某外部场(媒介场)时的金属磁性层1a至1f的磁化方向。最下面的金属磁性层1a其磁化已被钉扎(固定)到一方向以起到固定层的作用。最上面的金属磁性层1f根据外部场来改变其磁化方向以起到自由层的作用。位于最下面的金属磁性层1a与最上面的金属磁性层1f之间的金属磁性层1b至1e以及连接层2a至2e的作用不能简单地划分为正常自旋阀薄膜中的固定层、间隔层或自由层。应当注意的是，在图1A中电流受限通路4好像位于整个连接层2a至2e的上下连接层中对应的位置。但是电流受限通路4并不总是位于连接层2a至2e的上下连接层中对应的位置。实际上，通过稍后示例中所述制造工艺形成的电流受限通路4的位置在各个连接层2a至2e中是不同的，如图1B所示。具有图1A和1B结构的两种磁致电阻元件能够提供按照本发明的效果。

如图2A所示，在零外部场时，最上面的金属磁性层1f的磁化方向被偏置，使其几乎垂直于最下面的金属磁性层1a的磁化方向。此外，位于最下面的金属磁性层1a与最上面的金属磁性层1f之间的金属磁性层1b至1e的磁化方向彼此略微改变，以便逐渐地扭曲。由于三层或更多层的金属磁性层被这样弱磁性地耦合，它们的磁化方向像弹簧一样被逐渐扭曲，因此图1A或1B所示的堆叠薄膜被命名为弹簧自旋阀薄膜。

如图2B所示，当在某方向上施加外部场时(例如，介质上的比特数据为“1”的情况)，最上面的金属磁性层1f的磁化方向根据外部场的方向而改变。相对地，中间金属磁性层1e至1b的磁化方向被稍稍改变。然后，如图2B所示，如果最上面的金属磁性层1f的磁化方向平行于最下面的金属磁性层1a的磁化方向，则根据垂直于元件平面施加的读出电流读出了下降的电阻。

另一方面，如图2C所示，当外部场被施加到与图2B所示的相反方向时(例如，介质上的比特数据为“0”的情况)，最上面的金属磁性层1f的磁化方向变成与图2B所示的相反方向。但是，最下面的金属磁性层1a的磁化方向被钉扎(固定)，像图2A和2B所示的一样没有改变。对应地，中间金属磁性层1e至1b的磁化方向被明显扭曲，以使最上面的金属磁性层1f的磁化方向与最下面的金属磁性层1a的磁化方向几乎反向平行对准。然后，在此状态下，根据垂直于元件平面施加的读出电流读出了增加的电阻。

基于上述原理，按照本发明实施例的磁致电阻元件能够合理地实现作为自旋阀薄膜的实际操作以及高的MR比。

现在，将说明用于按照本发明实施例的磁致电阻元件的材料。

(i)下电极由Cu、Au、Cr或Ta形成。

(ii)缓冲层(下层)可由下面所列的任何材料形成。

选自于由Ti、Ta、W、Cr、Mo、Nb、V、Zr和Hf所组成的组的金属，或含有任意这些金属的合金[厚度：3nm至10nm之间]，

Ta[3至5nm]/Ru[2nm]，

NiFeCr[3至5nm]，

Ta[3nm]/NiFeCr[3至5nm]，和

Ta[3nm]/NiFe[3至5nm]。

(iii)钉扎层可由下面所列的任何材料形成。

反铁磁性层由IrMn、PtMn或PdPtMn形成，

硬层由CoPt、CoPrCr或FePt形成，

反铁磁性层(例如IrMn、PtMn和PdPtMn)/铁磁性层/Ru，

硬层(例如CoPt、CoPrCr和FePt)/铁磁性层/Ru。

例如PtMn/CoFe[3nm]/Ru的堆叠结构的钉扎层被称作合成钉扎层，因为上下的金属磁性层到Ru层是通过Ru层反铁磁性耦合的。钉扎层可以是由IrMn、PtMn或PdPtMn形成的单个钉扎层或者是硬层。但是，合成钉扎层能够基本上消除固定层的净磁矩，以避免来自固定层的泄漏场的不利作用。包含在合成钉扎层内的铁磁性层的材料可以类似于稍后所述的弹簧自旋阀薄膜内的金属磁性层的材料。相应地，对于铁磁性层的材料，阅读对应的说明。

理想地，在合成钉扎层中包含的Ru下形成的金属磁性层的厚度最多是在Ru之上的弹簧自旋阀薄膜所含的金属磁性层总厚度的一半。此外，在Ru下形成的金属磁性层的厚度理想的是1至10nm，更理想的是1至5nm。

(iv)固定层可由以下所列的任何材料形成，并且可以是单个磁性层或者是由磁性层和非磁性层所形成的堆叠薄膜。

Fe、Co、Ni、Co-Fe、Ni-Fe、Ni-Fe、Ni-Co、Fe-Co-Ni、含Co的合金、含Ni的合金或含Fe的合金，

(FeCo/Cu)×n循环

(CoNi/Cu)×n循环

(NiFe/Cu)×n循环，和

(FeCoNi/Cu)×n循环。

例如，(FeCo/Cu)×n的堆叠薄膜优选地使用Fe含量为50％或更大的富含Fe的磁性层。这样的金属磁性层具有增强体散射的效果。在增强上下金属磁性层之间的磁性耦合时，最好不要使非磁性层(例如Cu)的厚度过厚。其厚度优选为0.1至1nm，更优选为0.1至0.5nm。或者，可以使用例如CoMnGe、NiMnSb或SiMnGe的Heuslar合金材料。

此外，附加的元素可以添加到这些磁性材料中。附加的元素包括Cu、Cr、Ti、V、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W和Pt。特别优选的是含有其中添加了Cu的FeCo的FeCoCu合金，因为其提高了体散射效果。非磁性附加元素的含量的优选范围在1at％至50at％之间，更优选地在2at％至20at％之间。此外，这些金属磁性层可以是氮化的。

金属磁性层的厚度tm理想的是1至10nm，更理想的是1.5至5nm。可以由相同或不同的材料形成多个金属磁性层。但是，由于远离钉扎层定位的金属磁性层必须能够轻易地将其磁化转动到媒介场，所以最好由NiFe、CoFe、NiCo、Fe、NiFeCo或CoFeNi合金形成，或由通过向任何的这些合金中添加附加元素所制备的软磁材料形成。另一方面，靠近钉扎层的金属磁性层的材料不必限于软磁材料。优选地使用有利于提供高MR比的磁性材料

至少有三种金属磁性层能够提供弹簧自旋阀薄膜的功能。金属磁性层的数量优选地是3至20，更优选地是3至10。金属磁性层的总厚度优选地约为3至30nm，更优选地约为5至20nm。过大的金属磁性层的总厚度会增加MR比，但是也提供增加的电阻。对于高频响应这不是优选的。当金属磁性层的总厚度较小时，对于制造磁场热或MRAM的工艺是优选的。但是，过小的金属磁性层总厚度会限制对具有高MR比的材料的选择。

金属磁性层的晶体结构理想地具有对于fcc结构的fcc(111)晶向，对于bcc结构的bcc(110)晶向以及对于hcp结构的hep(001)或(110)晶向。

晶向理想的具有4.0度或更小的分散角，更优选地为最多3.5度或更小，进一步优选地为最多3.0度或更小。例如，基于X射线衍射分析在通过θ-2θ测量所获得的峰值位置通过测量摇摆曲线的最大值的一半处的全部宽度来获得这个值。在磁头中，这个值能够作为剖面中纳米衍射点的分散角被读出。

(v)连接层(电流受限层)包括绝缘层3以及由穿透绝缘层3的金属磁性层所形成的电流受限通路4。连接层具有磁性地且以读出的电子导电的方式耦合邻近的金属磁性层的功能。垂直于元件平面施加的电流流过电流受限通路，但是没有流过围绕电流受限通路的绝缘层。通过连接层磁性耦合金属磁性层，能够实现如图2所示的其中磁化方向在金属磁性层上被逐渐扭曲的状态。这能够使弹簧自旋阀薄膜适当地工作。

类似于上面的金属磁性层，电流受限通路4的材料包括含有Fe、Co或Ni的合金，CoFe合金，NiFe合金，NiCo合金，以及这样的金属磁性层和极薄的非磁性金属层的叠层，该非磁性金属层包括Cu、Cr、Ti、V、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W。

如果对电流受限通路使用堆叠薄膜，则非磁性金属层的厚度不宜过大，因为其减弱了其间插入连接层的上下金属磁性层之间的磁性耦合。但是，通过使用堆叠薄膜作为电流受限通路并且适当地设定非磁性金属层的厚度，能够控制其间插入连接层的上下金属磁性层之间的磁性耦合强度。这使得能够有利地控制图2A所示的每个金属磁性层的磁化方向转动角。非磁性金属层的厚度优选地为0.1至1nm，更优选地为0.1至0.5nm。

围绕电流受限通路4的绝缘层3的材料包括AlOx(通常为Al₂O₃)、SiOx(通常为SiO₂)、MgO、ZrOx、HfOx、TiOx、CrOx、FeOx、FeCoCx、NiOx、CoOx、VOx、WOx和TaOx。

作为绝缘层3的材料，AlOx、SiOx、HfOx和ZrOx是尤其适合的，因为它们适当地保持了其间插入连接层的上下金属磁性层之间的绝缘特性。这些氧化物可以含有Zr、Hf、Mg、Nb、Ta、Ti、Cr、V、或W的氧化物作为附加元素。绝缘层3的材料可以是例如FeOx、CoOx或NiOx的磁性氧化物。如果绝缘层由磁性氧化物形成，则其间插入连接层的上下金属磁性层之间的磁性耦合，是通过电流受限通路4的磁性耦合与通过由磁性氧化物形成的绝缘层3的磁性耦合的组合。因此，可以各种方式控制磁性耦合。特别地，FeOx经常表现出明显高于室温的Neel温度或居里点，因此能够有利地将其用于在室温工作的磁致电阻元件。例如，FeOx包括例如Fe₃O₄、CoFe₂O₄、MnFe₂O₄、Ni Fe₂O₄、或γ-Fe₂O₃的尖晶石氧化物，或者例如α-Fe₂O₃的金刚砂基的反铁磁性材料。绝缘层3的材料不限于氧化物，也可以是氮化物。

连接层(绝缘层3和电流受限通路4)的厚度t_c优选地为0.5至5nm，并且在形成非常小尺寸的电流受限通路4的情况下更优选地为1至2nm。

图3是显示连接层的薄膜表面的平面图。在连接层的薄膜表面中一个电流受限通路4的尺寸D_p优选地为0.5至10nm，更优选地为1至7nm。电流受限通路4与连接层的薄膜表面的面积比优选地为1至30％，更优选地为3至20％。电流受限通路4的尺寸和面积比决定了其间插有连接层的上下金属磁性层之间的磁性耦合的大小和磁化方向转动角，以及MR比的数值。如果电流受限通路4的尺寸D_P和面积比在上述范围内，则弹簧自旋阀薄膜将适当地工作。

能够使用下面所述的方法形成连接层。例如，通过溅射、MBE、CVD、蒸发等来沉积将形成电流受限通路的金属材料以及将转变成绝缘层的另一金属材料。然后，执行氧化工艺以便将金属材料氧化转变成绝缘材料。在此情况下，如果以混合状态来沉积将形成电流受限通路和绝缘层的两种金属材料，则将形成电流受限通路的金属材料在氧化期间由于氧化活动的差异而保持为金属，使其能够形成电流受限通路。氧化方法可以是自然氧化、彻底氧化、离子束氧化、或RF等离子体氧化。在氧化工艺期间为了提高氧化活动可以使用UV照射衬底或加热衬底。为了形成其尺寸能被适当控制的电流受限通路，优选地使用离子束氧化和RF等离子体氧化。对于离子束氧化、可以将氧气引入离子源或直接引入氧化室。离子束的加速能量优选地设定在50至100V之间的范围。

或者，将形成绝缘层和电流受限通路的合金材料可以同时被RF共溅射，因此在保持彼此分离的同时被沉积。特别地，如果绝缘层的材料是AlOx或SiOx，则能够有效地使用这种方法。

(vi)覆盖层由下面所列的任意一种材料形成。

Cu[0至10nm]/Ta[1至5nm]，和

Cu[0至10nm]/Ru[0至10nm]。

(vii)类似于下电极，上电极由Cu、Au、Cu或Ta形成。

如图4所示，按照本发明实施例的磁致电阻元件(弹簧自旋阀薄膜)10排列在下电极11和上电极12之间。垂直于元件平面提供电流。

当按照本发明实施例的弹簧自旋阀薄膜被应用到磁头时，则与轨道宽度相关地加工所述弹簧自旋阀薄膜10的宽度W。宽度W被设定为0.1μm或更小，对高记录密度被设定为50nm或更小。弹簧自旋阀薄膜10的深度h也被加工成使其几乎与宽度W一样大。为了偏置自由层的磁化方向使其垂直于固定层的磁化方向，例如可以在弹簧自旋阀薄膜10的两侧提供硬层，或者在弹簧自旋阀薄膜10上提供内堆叠偏置层。

当按照本发明实施例的弹簧自旋阀薄膜被应用到磁存储器(MRAM)时，它的大小可以大于用于磁头时的大小。尺寸W和h可以被加工成1μm或更小。通常，提供无偏置层，并修改弹簧自旋阀薄膜10的形状以表现出单轴各向异性，因此能够进行切换操作。

按照本发明实施例的磁致电阻元件(弹簧自旋阀薄膜)能够获得20至1000％的高MR比以及60至1000mΩμm²的低的RA。

将说明对应于上述实施例的磁致电阻元件(弹簧自旋阀元件)的具体示例。薄膜构成如下所示。

下电极：Cu，

缓冲层：Ta[5nm]/NiFeCr[5nm]，

钉扎层：PtMn[15nm]/CoFe[3nm]/Ru[1nm]，

金属磁性层：CoFe[2nm]，

连接层：含有Co电流受限通路的Al₂O₃[1.5nm]，

金属磁性层：CoFe[2nm]，

连接层：含有Co电流受限通路的Al₂O₃[1.5nm]，

金属磁性层：CoFe[1nm]/NiFe[3nm]，

覆盖层：Cu[1nm]/Ru[5nm]，

上电极：Cu。

磁致电阻元件(弹簧自旋阀薄膜)的制造过程如下所述。在衬底上沉积Cu，并图形化Cu以形成下电极。将衬底载入DC磁电管溅射装置。这个装置具有经过真空管连接到溅射室的氧化室。沉积下面的薄膜：缓冲层：Ta/NiFeCr，钉扎层：PtMn/CoFe/Ru，和金属磁性层：CoFe。

沉积将转变成连接层中绝缘层的Al[0.9nm]。在此阶段，衬底被转移到氧化室，进行离子束氧化、RF等离子体氧化或彻底氧化。氧化工艺能够使Al氧化成Al₂O₃，成为连接层中的绝缘层，同时使CoFe下层穿过Al₂O₃被吸收以形成电流受限通路。在此情况下，最好执行作为可能促进原子迁移的氧化工艺的离子束氧化或RF等离子体氧化。

或者，可以在衬底上沉积将形成电流受限通路的Co以及将转变成绝缘层的Al的AlCo合金，然后将衬底转移到氧化室进行氧化。AlCo合金成分的理想范围是从Al₈₀Co₃₀到Al₉₅Co₅。因为Al和Co彼此不能互溶，所以它们容易被沉积同时保持彼此分离。氧化此状态合金的过程氧化了很容易被氧化的Al，同时在电流受限通路中形成不容易被氧化的Cu。在此情况下，最好也执行作为可能促进原子迁移的氧化工艺的离子束氧化或RF等离子体氧化。

如上所述，连接层的厚度t_c优选地为0.5至5nm，更优选地为1至2nm。在此范围内的连接层厚度促进了具有金属受限部分的氧化层的形成。此外，氧化层有效地产生绝缘效果。

然后，再次将衬底转移到溅射室。沉积金属磁性层：CoFe[2nm]。随后沉积用于形成连接层的Al或AlCo。然后将衬底转移到氧化室并进行氧化以形成连接层。

然后，再次将衬底转移到溅射室。沉积金属磁性层：CoFe[1nm]/NiFe[3nm]和覆盖层：Cu[1nm]/Ru[5nm]。

在沉积之后，在大约10kOe的磁场中以290摄氏度对衬底热处理4个小时。热处理能够使PtMn变得有序，并使得没充分地结合到电流受限通路中磁性元件的氧气结合至易于被氧化的元件。例如，尽管在沉积的连接层中存在CoO，但是热处理减少了CoO，并使得氧气与与容易被氧化的Al结合以产生Al₂O₃。因此，形成含有更纯的金属磁性材料的电流受限通路。

随后，通过光刻工艺精细地处理弹簧自旋阀薄膜，以使其宽度几乎等于轨道宽度。具体地，图形化弹簧自旋阀薄膜，使得元件的一侧具有100至30nm的尺寸。此弹簧自旋阀薄膜表现出大约为500mΩμm²的面积电阻RA和高的MR比。

图5显示了按照本发明实施例的磁致电阻元件(弹簧自旋阀薄膜)的主要部分的剖面图。在此图中，金属磁性层1a、连接层2a、金属磁性层1b、连接层2b、金属磁性层1c、连接层2c、非磁性金属层5、金属磁性层1d、连接层2d、金属磁性层1e、连接层2e、以及金属磁性层1f被堆叠在一起。图5A所示的磁致电阻元件与图1A所示的磁致电阻元件不同，在图5A的磁致电阻元件中，在连接层2c与金属磁性层1d之间形成了由Cu等构成的非磁性金属层5。

如果非磁性金属层5具有2nm或更大的厚度，则其间插入非磁性金属层5的上下金属磁性层1c和1d除了小的层间耦合场(由桔皮和PKKY耦合场导致的Neel耦合场)之外基本上不能磁性耦合。

相对的，如果非磁性金属层5具有相当小的厚度，例如2nm或更小，则在其间插入非磁性金属层5的上下金属磁性层1c和1d之间出现大小不可忽略的磁性耦合。因此，如图5A所示的这样的薄膜构成能够使金属磁性层的磁化方向逐渐地扭曲，如图2A所示。这使得能够适当地操作弹簧自旋阀薄膜。

为了实现图5A所示的这样的结构，设定非磁性金属层5的厚度使得上下金属磁性层表现出弱的铁磁性耦合。如果非磁性材料例如是Cu，则考虑到PKKY耦合分量优选地按照如下所述来设定Cu的厚度。也就是，与通过Cu层的上下金属磁性层之间的PKKY磁性耦合相关，其中铁磁性耦合和非铁磁性耦合以相对非磁性金属层的厚度的摆动方式改变的现象是已知的(S.S.P.Parkin等人，Phys.Rev.Lett.，66，2152(1991))。在这样的摆动现象中表现出铁磁性耦合的Cu的厚度，例如是1至1.6nm和2.4至2.6nm。如果能较好的形成平坦的薄膜，则优选地使用提供铁磁性耦合所要求的这样的厚度范围。但是，实际上，在通过非磁性层的铁磁性层之间的磁性耦合不是仅由PKKY耦合所决定。也出现Neel耦合(也称作桔皮耦合)，其是由于不均匀的薄膜所引起铁磁性耦合。Neel耦合的大小随着非磁性层厚度的增加而增加。在假设铁磁性耦合由Neel耦合确定的情况下，由于2nm和更小的非磁性层厚度对应于不可忽略的磁性耦合，以及为了获得某种大小的铁磁性耦合分量最好将其厚度设定为1.5nm或更小，所以最佳厚度范围将被设定为0.1至1.5nm。非磁性金属层的材料不限于Cu，也可以包括Au、Ag、Cr、Mn、V、Ti、Zr以及含有任何这些成分的允许材料。在这些成分中，在热稳定性方面Cu是特别理想的。在上下金属磁性层之间引起相当大的磁性耦合的能力方面，Cr和Mn是理想的。

图6显示了按照本发明另一个实施例的磁致电阻元件(弹簧自旋阀薄膜)的主要部分的剖面图。在此图中，金属磁性层1a、非磁性金属层5a、金属磁性层1b、非磁性金属层5b、金属磁性层1c、非磁性金属层5c、金属磁性层1d、非磁性金属层5d、以及金属磁性层1e被堆叠在一起。图6所示的磁致电阻元件的薄膜构成对应于图1A所示的磁致电阻元件，其中由非磁性金属层替换连接层。非磁性金属层的材料和厚度与图5A所述的一样。

在此情况下还提供了，如果其间插有非磁性金属层的上下金属磁性层被磁性耦合，金属磁性层的磁化方向能够如图2A所示被逐渐地扭曲。这使得能够适当地操作弹簧自旋阀薄膜。

图7A显示了按照本发明另一个实施例的磁致电阻元件(弹簧自旋阀薄膜)的主要部分的剖面图。在此图中，在金属磁性层1a至1f的相邻的金属磁性层之间插入了连接层(例如，2a或2c)的单层薄膜，非磁性金属层(例如，5a或5c)的单层薄膜，或连接层和非磁性金属层的堆叠薄膜(例如，2b和5b)。这种薄膜构成也能够使金属磁性层的磁化方向逐渐地扭曲。这使得能够适当地操作弹簧自旋阀薄膜。

如图1A、5A、6和7A所示，在按照本发明实施例的弹簧自旋阀薄膜中，为了允许所有的金属磁性层被弱磁性地耦合，必须提供至少两个连接层或非磁性金属层。这是因为只有一个连接层或非磁性金属层时，磁性耦合太有效。也就是说，连接层或非磁性金属层比磁性金属层中的磁性耦合更弱的磁性耦合上下金属磁性层，通过增加所述连接层或非磁性金属层的数量，能够如图2A所示逐步地扭曲金属磁性层的磁化方向。这使得能够适当地操作弹簧自旋阀薄膜。此外，在图5A和7A中，电流受限通路4并不总是位于贯穿连接层2a至2e的上下连接层中对应的位置，电流受限通路4的位置在各个连接层2a至2e中可以是不同的，如图1B所示。在图5B和7B中显示了这些实施例。

现在参照图8至11来说明按照本发明另一个实施例的结构，如果含有金属磁性层的连接层被用作电流受限通路，则该结构对于降低排列在连接层上下的两个金属磁性层之间的磁性耦合是有效的。在图8至11中，为了简化，仅显示了上下金属磁性层和其间的连接层。

在图8中，金属磁性层1a、连接层2a和金属磁性层1b堆叠在一起。连接层2a包括绝缘层3以及穿透绝缘层3的电流受限通路4。每个电流受限通路4包括金属磁性层41和非磁性金属层42。当电流受限通路4具有其中堆叠了金属磁性层41和非磁性金属层42的结构时，能够降低下金属磁性层1a与上金属磁性层1b之间的磁性耦合。

在此情况下，形成电流受限通路4的金属磁性层41和非磁性金属层42的至少其中一个可以含有多个层。图9显示了这样的一个例子。在图9中，电流受限通路4具有其中堆叠了金属磁性层41、非磁性金属层42、金属磁性层41和非磁性金属层42的结构。也就是说，电流受限通路4含有两个金属磁性层41以及两个非磁性金属层42。

在图10中，金属磁性层1a、非磁性金属层5a、连接层2a、非磁性金属层5b和金属磁性层1b堆叠在一起。连接层2a包括绝缘层3以及穿透绝缘层3的电流受限通路4。通过在连接层2a与下金属磁性层1a之间插入非磁性金属层5a，同时在连接层2a与上金属磁性层1b之间插入非磁性金属层5b，也能够降低下金属磁性层1a与上金属磁性层1b之间的磁性耦合。

而且，可以组合这些结构。图11显示了组合的一个例子。在图11中，金属磁性层1a、非磁性金属层5a、连接层2a、非磁性金属层5b和金属磁性层1b堆叠在一起。连接层2a包括绝缘层3以及穿透绝缘层3的电流受限通路4。每个电流受限通路4都具有其中堆叠了金属磁性层41、非磁性金属层42、金属磁性层41和非磁性金属层42的结构。

如果通过采用如8至11所示的任何结构能够最佳的控制下金属磁性层1a与上金属磁性层1b之间的磁性耦合，则能够使下金属磁性层1a和上金属磁性层1b分别起到固定层和自由层的作用(也就是说，至少三个金属磁性层不必用于形成自旋弹簧结构)。

现在，将说明按照本发明实施例的磁致电阻元件(弹簧自旋阀薄膜)的应用。

图12和13显示了按照本发明实施例的结合在磁头中的磁致电阻元件。图12是沿着基本上平行于面对磁记录介质(未示出)的空气轴承表面方向的磁致电阻元件的剖面图。图13是沿着垂直于空气轴承表面P方向的磁致电阻元件的剖面图。

图12和13所示的磁头具有所谓的硬贴合结构。例如，磁致电阻元件10具有图1和图5至7中任一所示的结构。分别在磁致电阻元件10的下面和上面提供下电极11和上电极12。在图12中，偏置场应用薄膜13和绝缘薄膜14堆叠在磁致电阻元件10的两侧。如图13所示，在磁致电阻元件10的空气轴承表面中提供保护层15。

如箭头A所示，通过电极11和12垂直于平面施加磁致电阻元件10的读出电流，电极11和12排列在磁致电阻元件10的下面和上面。此外，提供在磁致电阻元件10两侧的该对偏置场应用薄膜13、13，将偏置场施加到磁致电阻元件10。偏置场控制磁致电阻元件10中的自由层的磁性各向异性，以使自由层成为单畴。这稳定了自由层的畴结构。因此能够抑制与磁畴壁移动相关的巴克豪森噪声。

本发明提高了磁致电阻元件的MR比。因此，将本发明应用到磁头能够实现敏感的磁再现。

图12和13所示的磁头可以结合在读写磁头组件中，该组件能够安装在磁记录装置中。

图14示意性地显示了这样的磁记录装置的主要部分的透视图。磁记录装置150是使用旋转致动器的类型。在此图中，磁盘200安装在主轴152上。响应来自驱动控制器(未示出)的控制信号，马达(未示出)使磁盘200在箭头A所示的方向上旋转。按照本发明的磁记录装置150可以包括多个磁盘200。

头滑块153连接到悬架154的顶端，以便从磁盘200读取以及向磁盘200写入。头滑块153具有安装在其顶端的磁头，磁头包括按照本发明上述任一实施例的磁致电阻元件。

当磁盘200旋转时，头滑块153的空气轴承表面(ABS)被保持，以便在磁盘200的表面上浮起预定的高度。头滑块153可以是与磁盘200接触的所谓的持续接触类型。

悬架154连接到致动器臂155的一端。在致动器臂155的另一端提供作为一种线性马达的音圈马达156。音圈马达156由驱动线圈(未示出)和磁性电路构成，驱动线圈围绕致动器臂155另一端的上的线轴缠绕，磁性电路由永久磁铁和相对的轭构成，驱动线圈和磁性电路彼此相对排列以便在永久磁铁和相对的轭之间插入线圈。

致动器臂155由提供在枢轴157的两个垂直位置上的滚珠轴承(未示出)支持。致动器臂155能够被音圈马达156可转动地滑动。

图15是磁头组件的放大的透视图，磁头组件包括从盘看去的致动器臂155的顶部一侧。磁头组件160具有致动器臂155以及连接到致动器臂155一端的悬架154。

头滑块153连接到悬架154的顶部，头滑块153包括含有按照上述任一实施例的磁致电阻元件的磁头。悬架154具有用于写入和读取信号的导线164。导线164电连接到结合在头滑块153中的磁头内的各个电极。图中参考标记165表示磁头组件160的电极焊块。

本发明包括含有按照本发明上述任一实施例的磁致电阻元件的磁头。这使得能够可靠地读取以高于现有技术的记录密度磁性记录在磁盘200上的信息。

现在，将说明使用按照本发明实施例的磁致电阻元件的磁存储器。也就是说，按照本发明上述任一实施例的磁致电阻元件能够用于提供磁存储器，例如磁随机存取存储器(MRAM)，其中存储单元以矩阵方式排列。

图16显示了按照本发明实施例的磁存储器的矩阵配置的示例图。该图显示了其中排列了存储单元的电路配置。磁存储器包括列译码器350和行译码器351，用于在阵列中选择一位。位线334和字线332用于导通并唯一地选择开关晶体管330。通过读出放大器352的检测能够读取记录在磁致电阻元件10中的磁记录层(自由层)上的位信息。为了写入位信息，通过特定的字线323和特定的位线322提供电流，以产生将要施加的磁场。

图17是按照本发明实施例的磁存储器的矩阵配置的另一个示例图。在此情况下，通过译码器361选择一条位线322，同时通过译码器360选择一条字线334；位线322和字线334以矩阵方式排列。因此选择了阵列中特定的存储单元。每个存储单元具有其中串联了磁致电阻元件10和二极管D的结构。此处，二极管D用于防止读取电流在除了所选的磁致电阻元件10之外的存储单元中旁路。通过使用使写入电流通过特定的位线322和特定的字线323而产生的磁场来执行写入操作。

图18是按照本发明实施例的磁存储器的主要部分的剖面图。图19是沿着图18中线A-A′的磁存储器的剖面图。这些图中所示的结构对应于一位的存储单元，该存储单元包含在图16或17所示的磁存储器中。存储单元具有存储元件311和地址选择晶体管312。

存储元件311具有磁致电阻元件10和一对连接到该磁致电阻元件10的线322和324。磁致电阻元件10是上述任一实施例的磁致电阻元件。

另一方面，选择晶体管312具有通过通孔326和埋线328连接到磁致电阻元件10的晶体管330。晶体管330按照施加在栅极332的电压执行开关操作，以可控制地开关磁致电阻元件10与线334之间的电流通路。

在磁致电阻元件10下面以垂直于线322的方向提供写入线323。例如，写入线322和323能够由铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钽(Ta)或这些元素的合金构成。

在如上述配置的存储器中，为了将位信息写入到磁致电阻元件10，写脉冲电流通过线322和323以产生合成的场。施加合成的场以适当的使磁致电阻元件的记录层的磁化方向反向。

此外，为了读取位信息，读出电流通过线322、包括磁记录层的磁致电阻元件10、以及下电极324。然后，测量磁致电阻元件10的电阻值或电阻变化。

按照本发明实施例的磁存储器使用按照上述任一实施例的磁致电阻元件(弹簧自旋阀薄膜)。因此，即使单元尺寸降低，也能确保控制记录层中的磁畴，以允许可靠地执行写入和读取操作。

已经参照具体示例说明了本发明的实施例。但是，本发明不限于这些具体示例。例如，对于磁致电阻元件的具体结构以及电极、偏置应用薄膜、绝缘薄膜等的形状和材料，本领域技术人员通过从对应的已知范围做出适当的选择能够类似地采用本发明以产生类似的效果。

例如，当磁致电阻元件被应用到读取磁头时，能够通过在元件的两侧提供磁场屏蔽来定义磁头的检测分辨率。

此外，本发明能够应用到磁头或基于垂直磁记录系统以及纵向磁记录系统的磁记录装置，并且在任何系统中都能够产生类似的效果。

而且，按照本发明的磁记录装置可以是固定具有特定记录介质的所谓的刚性类型，或者是允许更换记录介质的所谓的“可移动”类型。

本发明的范围还包括通过适当修改如本发明实施例所述的磁头和磁记录装置的上述设计，本领域技术人员所能够实现的所有的磁致电阻元件、磁头、磁记录装置和磁存储器。

本领域技术人员将很容易发现其它的优点和修改。因此，本发明在其较宽的方面不限于此处所显示和说明的具体细节以及示代表性的实施例。因此，在不脱离由后附的权利要求及其等价物所限定的一般发明概念的实质与范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims

1.一种磁致电阻元件，包括：

至少三个金属磁性层；

提供在所述至少三个金属磁性层之间的至少两个连接层，每个连接层都具有绝缘层以及包括穿透该绝缘层的金属磁性材料的电流受限通路；和

垂直于所述金属磁性层和连接层所组成的堆叠薄膜的平面提供电流的电极。

2.根据权利要求1所述的磁致电阻元件，其中所述至少三个金属磁性层的最下面或最上面的金属磁性层具有被钉扎在某方向上的磁化，最下面的金属磁性层和最上面的金属磁性层通过所述至少两个连接层以及被夹在所述最下面金属磁性层与最上面金属磁性层之间的一个或多个中间金属磁性层磁性耦合，所述中间金属磁性层的磁化方向被扭曲，使得在零外部场时所述最下面的金属磁性层的磁化方向垂直于最上面的金属磁性层的磁化方向。

3.根据权利要求1所述的磁致电阻元件，进一步包括在所述连接层与金属磁性层之间的至少一个界面处的非磁性金属层。

4.根据权利要求1所述的磁致电阻元件，其中所述连接层的厚度范围在0.5nm或更大至2.5nm或更小之间，所述绝缘层由Al、Si、Ti、Hf、Zr、Mo或Ta的氧化物或氮化物形成，所述电流受限通路由含有Co、Fe或Ni的金属磁性材料形成。

5.根据权利要求1所述的磁致电阻元件，其中所述连接层的厚度范围在0.5nm或更大至2.5nm或更小之间，所述绝缘层由含有Fe的氧化物形成，所述电流受限通路由含有Co、Fe或Ni的金属磁性材料形成。

6.根据权利要求1所述的磁致电阻元件，其中所述电流受限通路的尺寸范围在0.5nm或更大至10nm或更小之间，所述电流受限通路在所述连接层的平面区域中的面积比在1％至30％之间的范围内。

7.根据权利要求1所述的磁致电阻元件，其中所述电流受限通路具有金属磁性材料和非磁性金属材料的堆叠结构。

8.根据权利要求7所述的磁致电阻元件，其中所述电流受限通路包括至少磁性金属材料和非磁性金属材料其中之一的多个层。

9.根据权利要求1所述的磁致电阻元件，其中非磁性金属层形成在所述连接层的两个表面与其上下金属磁性层之间。

10.根据权利要求1所述的磁致电阻元件，其中非磁性金属层形成在所述连接层的两个表面与其上下金属磁性层之间，所述连接层中的电流受限通路具有金属磁性材料和非磁性金属材料的堆叠结构。

11.一种磁致电阻元件，包括：

至少三个金属磁性层；

提供在所述至少三个金属磁性层之间的至少两个非磁性金属层；和

垂直于金属磁性层和非磁性金属层的堆叠薄膜的平面提供电流的电极。

12.根据权利要求11所述的磁致电阻元件，其中所述至少三个金属磁性层的最下面或最上面的金属磁性层具有被钉扎在某方向上的磁化，最下面的金属磁性层和最上面的金属磁性层通过至少两个非磁性金属层以及夹在最下面的金属磁性层与最上面的金属磁性层之间的一个或多个中间金属磁性层磁性耦合，中间金属磁性层的磁化方向被扭曲，使得在零外部场时最下面的金属磁性层的磁化方向垂直于最上面的金属磁性层的磁化方向。

13.一种磁致电阻元件，包括：

至少三个金属磁性层；

提供在所述至少三个金属磁性层之间的至少两个层，该至少两个层的每个层都选自于：具有绝缘层以及包括穿透该绝缘层的金属磁性材料的电流受限通路的连接层，非磁性金属层，或连接层与非磁性金属层的叠层；和

垂直于金属磁性层和连接层所组成的堆叠薄膜的平面提供电流的电极。

14.根据权利要求13所述的磁致电阻元件，其中所述至少三个金属磁性层的最下面或最上面的金属磁性层具有被钉扎在某方向上的磁化，最下面的金属磁性层和最上面的金属磁性层通过所述至少两个层以及被夹在最下面金属磁性层与最上面金属磁性层之间的一个或多个中间金属磁性层磁性耦合，其中所述至少两个层中的每个层都选自于：具有绝缘层以及包括穿透该绝缘层的金属磁性材料的电流受限通路的连接层，非磁性金属层，或连接层与非磁性金属层的叠层；所述中间金属磁性层的磁化方向被扭曲，使得在零外部场时所述最下面的金属磁性层的磁化方向垂直于最上面的金属磁性层的磁化方向。

15.一种包括如权利要求1所述的磁记录介质和磁头的磁记录装置。

16.一种包括如权利要求1所述的磁致电阻元件的磁存储器。

17.一种包括如权利要求11所述的磁记录介质和磁头的磁记录装置。

18.一种包括如权利要求11所述的磁致电阻元件的磁存储器。

19.一种包括如权利要求13所述的磁记录介质和磁头的磁记录装置。

20.一种包括如权利要求13所述的磁致电阻元件的磁存储器。