CN1976081A

CN1976081A - 磁阻元件、磁头、磁存储装置以及磁内存装置

Info

Publication number: CN1976081A
Application number: CN200610080850.2A
Authority: CN
Inventors: 城后新; 大岛弘敬; 指宿隆弘; 清水丰; 涡卷拓也
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2007-06-06

Abstract

本发明公开磁阻元件、磁头、磁存储装置以及磁内存装置。CPP型磁阻元件包括防扩散层以及叠置的固定磁化层、非磁性金属层和自由磁化层。该自由磁化层包含CoMnAl。该防扩散层设置在该非磁性金属层与该自由磁化层之间，以防止该自由磁化层内含有的Mn扩散到该非磁性金属层。CoMnAl具有在三元成分图中通过用直线依次连接点A(44，23，33)、点B(48，25，27)、点C(60，20，20)、点D(65，15，20)、点E(65，10，25)、点F(60，10，30)以及点A构成的区域内的成分，在该三元成分图中，将成分坐标表示为(Co含量，Mn含量，Al含量)，且Co含量、Mn含量、Al含量均以原子百分比来表示。

Description

磁阻元件、磁头、磁存储装置以及磁内存装置

相关申请的参照

本申请基于并要求2005年11月30日递交的日本在先专利申请No.2005-346065以及2006年3月8日递交的日本在先专利申请No.2006-062944，在此通过参考的方式援引其全部内容。

技术领域

本发明总的涉及一个或多个磁存储装置(mangetic storage unit)和多个磁内存装置(magnetic memory unit)中用于再现信息的磁阻元件及磁头，更具体地涉及一种具有CPP(电流垂直平面)结构的磁阻元件，在该CPP结构中，使感应电流在构成磁阻元件的叠置膜的叠置方向上流动。

背景技术

近年来，在磁存储装置的磁头中，采用磁阻元件作为用于将磁记录介质内记录的信息再现的再现元件。磁阻元件利用磁阻效应来再现磁记录介质内记录的信息，该磁阻效应将在自磁记录介质泄漏的信号磁场方向上的变化转变为电阻变化。

随着磁存储装置记录密度的增大，具有旋阀膜的磁阻元件成为主流。旋阀膜包括：固定磁化层，其中磁化固定于预定方向；非磁性层；以及自由磁化层，其中磁化方向根据来自磁记录介质的泄漏磁场(leakagemagnetic field)的方向和强度而变化。旋阀膜的电阻根据由固定磁化层的磁化方向与自由磁化层的磁化方向构成的角度而变化。通过使固定值的感应电流流经旋阀膜以检测作为电压变化的电阻变化，磁阻元件再现磁记录介质内记录的位元。

传统上，对磁阻元件采用使感应电流在旋阀膜的平面内(in-plane)方向上流动的CIP(电流平行平面)结构。为了进一步增大磁记录装置的记录密度，需要增大磁记录介质内的磁轨记录密度和磁轨密度。另一方面，在磁阻元件中，既需要减少对应于磁记录介质磁轨宽度的元件宽度又需要减少元件高度(元件深度)，即，需要减少元件横截面积。在这种情况下，在CIP结构中，感应电流的电流密度增大，从而可能由于过热而使构成旋阀膜的材料迁移，由此导致性能降低。

因此，已经急切地提议和研究了一种CPP结构作为下一代再现元件，在这种CPP结构中，使感应电流在旋阀膜的叠置方向(即固定磁化层、非磁性层和自由磁化层的叠置方向)上流动。CPP型旋阀膜具有窄化元件宽度几乎不会改变输出的优点，因此适用于增大记录密度。

通过从一个方向到相反方向的磁场扫描以向旋阀膜施加外部磁场时的磁阻变化，确定CPP型旋阀膜的输出。这种磁阻变化是与感应电流方向相垂直的膜表面的单位面积磁阻变化。为了增大单位面积磁阻变化，应当对自由磁化层和固定磁化层采用自旋相关体积散射系数与电阻率的乘积大的材料。自旋相关体积散射系数表示传导电子在自由磁化层或固定磁化层的层内的、依赖传导电子的自旋取向的散射程度。自旋相关体积散射系数越大，磁阻变化越大。

例如，日本特开No.2003-218428(此后称为JP2003-218428)提出了一种磁阻元件，其将自由磁化层所采用何士勒合金(Heusler alloy)成分的软磁合金作为自旋相关体积散射系数大的材料。

但是，在上述JP2003-218428中对自由磁化层采用Co₂MnAl的何士勒合金成分时，其高的矫顽力(coercive force)会减缓自由磁化层对来自磁记录介质的信号磁场的磁化响应。即，磁阻元件的灵敏度降低。随着记录密度的增大，来自磁记录介质的信号磁场强度通常会趋于降低。由此，如果自由磁化层的矫顽力高，则由于磁阻效应而产生的电阻可能不会饱和。这使得实质的磁阻变化降低，从而减小了磁阻元件的输出。此外，如果矫顽力太高，则自由磁化层的磁化几乎不能在信号磁场的作用下旋转，从而仅能获得很小的输出。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供一种能够克服上述缺点的磁阻元件。

根据本发明的一个实施例，提供一种具有较高的磁场检测灵敏度的高输出磁阻元件。

根据本发明的一个实施例，提供一种使用上述磁阻元件的磁头、磁存储装置以及磁内存装置。

根据本发明的一个实施例，提供一种CPP型磁阻元件，其包括防扩散层以及叠置的固定磁化层、非磁性金属层和自由磁化层，其中：该自由磁化层包含CoMnAl；该防扩散层设置在该非磁性金属层与该自由磁化层之间，以防止该自由磁化层内含有的Mn扩散到该非磁性金属层；以及CoMnAl具有在三元成分图中通过用直线依次连接点A(44，23，33)、点B(48，25，27)、点C(60，20，20)、点D(65，15，20)、点E(65，10，25)、点F(60，10，30)以及点A构成的区域内的成分，在该三元成分图中，将成分坐标表示为(Co含量，Mn含量，Al含量)，且Co含量、Mn含量、Al含量均以原子百分比来表示。

根据本发明的一个方案，对CPP磁阻元件的自由磁化层采用CoMnAl。CoMnAl具有相对较大的自旋相关体积散射系数，该自旋相关体积散射系数基本等于传统上用作自由磁化层材料的CoFe的自旋相关体积散射系数。此外，CoMnAl的电阻率显著大于CoFe的电阻率。由此，通过对自由磁化层和/或固定磁化层采用CoMnAl，能够使依赖于自旋相关体积散射系数与电阻率的乘积的磁阻变化显著大于采用CoFe的情况。结果，能够极大地增大磁阻元件的输出。此外，根据本发明的一个方案，在非磁性金属层与自由磁化层之间设置防扩散层，以防止自由磁化层内含有的Mn扩散到非磁性金属层中。非磁性金属层中Mn的存在会使固定磁化层与自由磁化层以相同的磁化方向磁性耦合，从而固定磁化层的磁化与自由磁化层的磁化能相对于外部磁场以相同的角度移动。通过设置防扩散层，能够防止Mn扩散到非磁性金属层中，由此防止在Mn扩散到非磁性金属层的情况下导致的ΔRA的减小。

此外，本发明的发明人研究发现，通过从上述区域ABCDEFA中选择自由磁化层的CoMnAl成分，能够使自由磁化层的矫顽力低于何士勒合金成分Co₅₀Mn₂₅Al₂₅的情况。

由此，对来自磁记录介质的信号磁场的灵敏度增大，从而能够应对来自磁记录介质的信号磁场强度由于高记录密度而降低的情况。因此，根据本发明，能够实现具有较高磁场检测灵敏度的高输出磁阻元件。CPP型是指这样一种方法，通过该方法，能够使感应电流在垂直于磁阻膜的膜表面的方向(即，磁阻膜的多个层的叠置方向)上流动。

根据本发明的一个实施例，提供一种CPP型磁阻元件，其包括叠置的固定磁化层、非磁性绝缘层和自由磁化层，其中：该自由磁化层包含CoMnAl；以及CoMnAl具有在三元成分图中通过用直线依次连接点A(44，23，33)、点B(48，25，27)、点C(60，20，20)、点D(65，15，20)、点E(65，10，25)、点F(60，10，30)以及点A构成的区域内的成分，在该三元成分图中，将成分坐标表示为(Co含量，Mn含量，Al含量)，且Co含量、Mn含量、Al含量均以原子百分比来表示。

根据本发明的一个方案，通过对自由磁化层采用上述成分范围的CoMnAl，也能够在磁阻元件包含所谓的隧道磁阻膜的情况下实现具有较高信号磁场检测灵敏度的高输出磁阻元件。

根据本发明的一个实施例，提供包括一种上述磁阻元件的磁头。

根据本发明的一个方案，由于磁阻元件产生高输出并对信号磁场具有较高的灵敏度，能够实现能支持较高记录密度的记录和再现的磁头。

根据本发明的一个实施例，提供一种磁存储装置，其包括具有一种上述磁阻元件的磁头和磁记录介质。

根据本发明的一个方案，由于磁阻元件产生高输出并对来自磁记录介质的信号磁场具有好的灵敏度，能够提供具有高记录密度的磁存储装置。

根据本发明的一个实施例，提供一种磁内存装置，包括：CPP型磁阻膜，该CPP型磁阻膜包括防扩散层以及叠置的固定磁化层、非磁性金属层和自由磁化层；写入部，该写入部构造为通过向该磁阻膜施加磁场来将该自由磁化层的磁化定向于预定方向；读出部，该读出部构造为通过向该磁阻膜供应感应电流来检测电阻，其中：该自由磁化层包含CoMnAl；该防扩散层设置在该非磁性金属层与该自由磁化层之间以防止该自由磁化层内含有的Mn扩散到该非磁性金属层；以及CoMnAl具有在三元成分图中通过用直线依次连接第一点(44，23，33)、第二点(48，25，27)、第三点(60，20，20)、第四点(65，15，20)、第五点(65，10，25)、第六点(60，10，30)以及第一点构成的区域内的成分，在该三元成分图中，将成分坐标表示为(Co含量，Mn含量，Al含量)，且Co含量、Mn含量、Al含量均以原子百分比来表示。

根据本发明的一个方案，对磁内存装置内的自由磁化层采用CoMnAl。因此，取决于自旋相关体积散射系数与电阻率的乘积的磁阻变化显著大于采用CoFe的情况。由此，分别对应于保存的“0”和“1”的磁阻值之差很大，从而该磁内存装置能够在读出信息时精确地进行读出。此外，在非磁性金属层与自由磁化层之间设置防扩散层，以防止自由磁化层内含有的Mn扩散到非磁性金属层中。防扩散层能够防止由于磁内存装置的制造工艺期间的热处理或者使用磁内存装置期间生成的热量导致的温度升高而使Mn扩散到非磁性金属层中。因此，磁内存装置具有较强的耐热性并能防止磁阻变化的减少。

根据本发明的一个实施例，提供一种磁内存装置，包括：CPP型磁阻膜，该CPP型磁阻膜包括叠置的固定磁化层、非磁性绝缘层和自由磁化层；写入部，该写入部构造为通过向磁阻膜施加磁场来将自由磁化层的磁化定向于预定方向；读出部，该读出部构造为通过向磁阻膜供应感应电流来检测电阻，其中：自由磁化层包含CoMnAl；以及CoMnAl具有在三元成分图中通过用直线依次连接第一点(44，23，33)、第二点(48，25，27)、第三点(60，20，20)、第四点(65，15，20)、第五点(65，10，25)、第六点(60，10，30)以及第一点构成的区域内的成分，在该三元成分图中，将成分坐标表示为(Co含量，Mn含量，Al含量)，Co含量、Mn含量、Al含量均以原子百分比来表示。

根据本发明的一个方案，即使在磁阻膜为隧道磁阻膜的情况下，通过对自由磁化层采用上述成分范围的CoMnAl，也能够实现能精确地进行读出的磁内存装置。

由此，根据本发明的一个方案，能够实现具有较高磁场检测灵敏度的高输出磁阻元件以及使用该磁阻元件的磁头、磁存储装置和磁内存装置。

附图说明

从结合附图的下述描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更为清楚，在附图中：

图1是示出根据本发明第一实施例复合磁头的介质相对面的部分视图；

图2是用以形成根据本发明第一实施例磁阻元件的第一范例GMR膜的断面图；

图3是用以形成根据本发明第一实施例磁阻元件的第二范例GMR膜的断面图；

图4是用以形成根据本发明第一实施例磁阻元件的第三范例GMR膜的断面图；

图5是用以形成根据本发明第一实施例磁阻元件的第四范例GMR膜的断面图；

图6是用以形成根据本发明第一实施例磁阻元件的第五范例GMR膜的断面图；

图7示出根据本发明第一实施例的范例实施中、自由磁化层的成分与矫顽力之间的关系；

图8是示出根据本发明第一实施例自由磁化层的矫顽力与成分范围的图；

图9是示出根据本发明第一实施例的范例实施中、自由磁化层的矫顽力与Al含量之间关系的曲线图；

图10是示出根据本发明第一实施例的范例实施中、磁阻元件的ΔRA与Al含量之间关系的曲线图；

图11是用以形成根据本发明第二实施例磁阻元件的第一范例TMR膜的断面图；

图12是用以形成根据本发明第二实施例磁阻元件的第二范例TMR膜的断面图；

图13是用以形成根据本发明第二实施例磁阻元件的第三范例TMR膜的断面图；

图14是用以形成根据本发明第二实施例磁阻元件的第四范例TMR膜的断面图；

图15是用以形成根据本发明第二实施例磁阻元件的第五范例TMR膜的断面图；

图16是根据本发明第三实施例的磁存储装置的局部平面图；

图17A是根据本发明第四实施例的第一范例磁内存装置的断面图；

图17B是示出根据本发明第四实施例的、图17A所示的GMR膜的构造示意图；

图18是根据本发明第一实施例的第四范例磁内存装置的存储单元等效电路图；

图19是示出用以形成磁内存装置的TMR膜的构造视图，该磁内存装置为根据本发明第四实施例的第一范例磁内存装置的变化例；以及

图20是根据本发明第四实施例的第二范例磁内存装置的断面图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施例。为方便起见，将单位面积的磁阻变化ΔRA简称为“磁阻变化ΔRA”或“ΔRA”，除非另有标注。

(第一实施例)

给出根据本发明第一实施例的包括磁阻元件和感应式记录元件的复合磁头的说明。

图1是示出根据本发明第一实施例复合磁头10的介质相对面的部分视图。在图1中，箭头X所指的方向表示与磁阻元件20相对的磁记录介质(未图示)的移动方向。

参照图1，磁头10包括：磁阻元件20，其形成于Al₂O₃-TiC等材料制成的平坦陶瓷衬底11上，该陶瓷衬底用作磁头滑动器(head slider)的基体；以及形成于该磁阻元件20上的感应式记录元件13。

感应式记录元件13包括：上磁极14、下磁极16、磁性连接上磁极14和下磁极16的磁轭(未图示)、以及缠绕在该磁轭周围以利用记录电流感应产生记录磁场的线圈(未图示)。上磁极14的宽度与磁记录介质在介质相对面上的磁轨宽度一致。下磁极16隔着非磁性材料形成的记录间隙层15与上磁极14相对。上磁极14、下磁极16和磁轭均由软磁材料制成。为了确保产生记录磁场，这种软磁材料可以是具有高饱和磁通密度的材料，例如Ni₈₀Fe₂₀、CoZrNb、FeN、FeSiN、FeCo或CoNiFe。感应式记录元件13不限于这种构造，而可以采用具有公知结构的感应式记录元件。

磁阻元件20包括叠置在氧化铝膜12(其形成在陶瓷衬底11的表面上)上的下电极21、磁阻膜30(此后称为“GMR膜30”)、氧化铝膜25以及上电极22。GMR膜30电连接至下电极21和上电极22。

磁畴控制膜24设置在GMR膜30的两侧，且在磁畴控制膜24与GMR膜30之间设置有绝缘膜23。磁畴控制膜24例如由Cr膜和铁磁性CoCrPt膜的层叠体构成。磁畴控制膜24将形成GMR膜30的自由磁化层39(图2)转换成单磁畴，从而防止巴克豪森噪声(Barkhausen noise)的产生。

下电极21和上电极22起磁屏蔽的作用并用作感应电流Is的通道。因此，下电极21和上电极22均由诸如NiFe或CoFe之类的软磁合金制成。此外，可在下电极21与GMR膜30的界面处可设置诸如Cu膜、Ta膜或Ti膜之类的导电膜。该导电膜可改进每层GMR膜30的结晶性。

此外，磁阻元件20和感应式记录元件13均覆盖有氧化铝膜或碳氢化合物(carbon hydride)膜，以防止腐蚀。

例如，感应电流Is从上电极22沿基本垂直于GMR膜30的膜表面的方向(GMR膜30的叠置方向)流经GMR膜30，从而到达下电极21。GMR膜30的电阻或所谓的磁阻根据从磁记录介质泄露的信号磁场的强度和方向而变化。磁阻元件20使预定安培数的感应电流Is流经GMR膜30，并检测作为电压变化的GMR膜30的磁阻变化。以这种方式，磁阻元件20再现磁记录介质内记录的信息。感应电流Is的流动方向不限于图1所示的方向，而可以为反向。此外，磁记录介质的移动方向也可以为反向。

作为磁头10的记录元件13和磁阻元件20的形成方法，例如可采用诸如溅射(sputtering)、真空蒸发或化学气相沉积之类的膜形成方法以及结合光刻与干蚀刻的图案化方法。

此外，复合磁头10仅为本发明的一个实施例，而作为本发明的另一实施例，磁头可以为仅包括根据第一实施例的磁阻元件20(或根据下述第二实施例的磁阻元件)的只读磁头。

接下来，描述关于形成磁阻元件20的GMR膜30五个范例(第一至第五范例)构造。第一范例至第五范例中的任何一种GMR膜都可应用于磁阻元件20。

图2是用以形成根据第一实施例磁阻元件20的第一范例GMR膜(即GMR膜30)的断面图。

参照图2，第一范例GMR膜30包括顺序叠置的底层31、反铁磁层32、固定磁化层叠体33、非磁性金属层37、防扩散层38、自由磁化层39以及保护层40。GMR膜30具有所谓的单旋阀结构。

底层31通过溅射形成在图1所示的下电极21的表面上。底层31例如由NiCr膜或者由Ta膜(例如5nm膜厚)与NiFe膜(例如5nm膜厚)的层叠体形成。优选地，NiFe膜的Fe含量落入17％(原子百分比)至25％(原子百分比)的范围。采用这种成分的NiFe膜，能够使反铁磁层32在在(111)晶面(即NiFe膜的结晶生长方向上)以及在结晶学上(crystallographically)等价于(111)晶面的晶面的表面上外延生长。结果，能够改进反铁磁层32的结晶性，并且通过叠置在反铁磁层32上的层34至层38进一步改善了自由磁化层39的结晶性，从而减小自由磁化层39的矫顽力。

反铁磁层32例如由膜厚为4nm至30nm(优选为4nm至10nm)的Mn-TM合金形成，其中TM为选自Pt、Pd、Ni、Ir和Rh中的至少一种。Mn-TM合金的例子包括PtMn、PdMn、NiMn、IrMn和PtPdMn。反铁磁层32通过与第一磁化层叠体33的第一固定磁化层34的交换相互作用，将该第一固定磁化层34的磁化固定在预定方向。

固定磁化层叠体33通过从反铁磁层32侧依次叠置第一固定磁化层34、非磁性耦合层35以及第二固定磁化层36来形成。固定磁化层叠体33具有所谓的合成铁磁结构，其中第一固定磁化层34的磁化与第二固定磁化层36的磁化通过交换耦合而反铁磁地耦合，从而使它们的磁化方向相互逆平行。

第一固定磁化层34和第二固定磁化层36均由膜厚为1nm-30nm的铁磁材料形成，所述铁磁材料包含Co、Ni和Fe中的至少一种。铁磁材料的例子包括CoFe、CoFeB、NiFe、FeCoCu以及CoNiFe。

作为第二固定磁化层36，还可采用由通式CoFeZ(其中Z是选自Al、Si、Ga、Ge、Cu、Mg、V、Cr、In、Sn、B和Ni中的至少一种元素)表示的、并形成具有成分Co₅₀Fe₂₅Z₂₅(其中各含量以原子百分比表示)的何士勒合金晶体结构的铁磁材料。CoFeZ铁磁材料具有较大的自旋相关体积散射系数，从而能够增大磁阻元件20的ΔRA。第二固定磁化层36即使在其具有高矫顽力的情况下也不会对磁阻元件20的特性产生不利的影响。由此，第二固定磁化层36可选自具有自旋相关体积散射系数大的成分范围。

特别适用于第二固定磁化层36的铁磁材料包括CoMnAl。CoMnAl的自旋相关体积散射系数基本等于CoFe的自旋相关体积散射系数，并相对大于其它软磁材料的自旋相关体积散射系数。此外，CoMnAl的电阻率大于CoFe的电阻率。基于这些方面，对第二固定磁化层36采用CoMnAl，能够极大地增大磁阻变化ΔRA。

此外，诸如Co₆₀Fe₄₀和NiFe之类的铁磁材料由于较低的电阻率而适用于第一固定磁化层34。第一固定磁化层34的磁化方向与第二固定磁化层36的磁化方向相反。由此，如果第一固定磁化层34的自旋相关体积散射系数的符号(sign)与第二固定磁化层36的自旋相关体积散射系数的符号相同，则第一固定磁化层34沿减小磁阻变化ΔRA的方向作用。在这种情况下，能够通过采用较低电阻率的铁磁材料来控制磁阻变化ΔRA的减小。

将非磁性耦合层35的膜厚设定为落入如下范围，即该范围的膜厚使得第一固定磁化层34与第二固定磁化层36反铁磁地交换耦合。该范围为0.4nm至1.5nm(优选为0.4nm至0.9nm)。非磁性耦合层35由非磁性材料形成，所述非磁性材料例如为Ru、Rh、Ir、Ru基合金、Rh基合金或Ir基合金。含有Ru并含有Co、Cr、Fe、Ni、Mn其中之一或其合金的非磁性材料适用作Ru基合金。

第一固定磁化层34和第二固定磁化层36均可由单层或多层层叠体形成。所述层叠体的多个层可各采用元素组合相同但成分比相互不同的材料。或者这些层也可采用元素组合相互不同的各材料。

此外，尽管图中未示出，但可在第一固定磁化层34与反铁磁层32之间设置铁磁接合层，该铁磁接合层由饱和磁通密度比第一固定磁化层34的饱和磁通密度大的铁磁材料形成。由此能够增大第一固定磁化层34与反铁磁层32之间的交换相互作用。结果，能够避免第一固定磁化层34的磁化方向偏离预定方向或与预定方向相反的问题。

非磁性金属层37例如由膜厚为1.5nm-10nm的非磁性导电材料形成。适用于非磁性金属层37的导电材料包括Cu、Al、及Cr。

防扩散层38例如可由膜厚为0.2nm-2nm的铁磁材料形成，该铁磁材料包含选自Co、Fe、及Ni构成的组中的至少一种元素，但该铁磁材料不包含Mn。防扩散层38防止下述自由磁化层39的CoMnAl中的Mn扩散到非磁性金属层37中。如果Mn扩散到非磁性金属层37中，则第二固定磁化层36和自由磁化层39具有相同的磁化方向，以磁性耦合。结果，它们的磁化相对于外部磁场以相同的角度移动，由此降低了ΔRA。但是通过设置防扩散层38，能够防止Mn的扩散，并相应地避免了ΔRA的降低。

防扩散层38例如可以是CoFe、NiFe、CoNiFe、CoFe与非磁性元素的合金(比如CoFeB和CoFeCu)、NiFe与非磁性元素的合金(比如NiFeB和NiFeCu)、CoNiFe与非磁性元素的合金(比如CoNiFeB和CoNiFeCu)。通过形成铁磁材料的防扩散层38，能够进一步提高磁阻元件20的ΔRA。优选对防扩散层38采用具有相对较大自旋相关界面散射系数的CoFe。

此外，特别优选地对防扩散层38采用CoNiFe。CoNiFe的自旋相关界面散射系数大于CoFe的自旋相关界面散射系数，而且通过将防扩散层38的膜厚设定为预定值，自由磁化层39与防扩散层38一体化的层叠体的矫顽力能够小于自由磁化层39单体的矫顽力。相应地能够增大对磁场的灵敏度。CoNiFe的膜厚优选在0.5nm-2.0nm范围。由于随着膜厚的增大，自旋相关体积散射系数也会增大，所以优选使CoNiFe的膜厚较大。但是，如果膜厚超过2.0nm，CoNiFe单体的矫顽力也会增大，从而使自由磁化层39与防扩散层38的所述层叠体的矫顽力增大。

此外，防扩散层38例如可由膜厚为0.2nm-2nm的非磁性材料形成，该非磁性材料包含选自Ti、Ta、W、Au、Pt、Mo、Hf构成的组中的至少一种元素。这种非磁性材料还可防止自由磁化层39内含有的Mn扩散到非磁性金属层37中。

自由磁化层39例如由膜厚为2nm-10nm的CoMnAl形成。CoMnAl的自旋相关体积散射系数与CoFe的自旋相关体积散射系数基本相同，并且CoMnAl的电阻率显著大于CoFe的电阻率。因此，与自由磁化层39采用CoFe的情形相比，磁阻变化ΔRA非常大。

此外，期望使自由磁化层39的磁化易受外部施加的信号磁场的作用。因此，自由磁化层39的矫顽力越小越好。考虑到较低的矫顽力，用以形成自由磁化层39的CoMnAl具有的成分设定在图8所示的三元成分图中通过用直线依次连接点A(44，23，33)、点B(48，25，27)、点C(60，20，20)、点D(65，15，20)、点E(65，10，25)、点F(60，10，30)以及点A构成的区域(成分范围)内，在该三元成分图中，将各成分坐标表示为(Co含量，Mn含量，Al含量)。在该成分范围内，相对于何士勒合金成分Co₅₀Mn₂₅Al₂₅，矫顽力减小。从而，磁阻元件20产生高输出，并对信号磁场的灵敏度增大。

保护层40由非磁性导电材料形成。例如，保护层40由包含Ru、Cu、Ta、Au、Al、W其中之一的金属膜形成。此外，保护层40还可由这些金属膜的层叠体形成。保护层40能够在下述用以使反铁磁层32出现反铁磁性的热处理时防止自由磁化层39的氧化。

作为第一范例GMR膜30的变化例(未图示)，优选在自由磁化层39与保护层40之间进一步设置另一防扩散层，该另一防扩散层的材料和厚度的选自范围与防扩散层38的材料和厚度的选自范围相同。基于保护层40的材料，自由磁化层39内的Mn可扩散到保护层40中。这减少了自由磁化层39的磁矩，从而减少了磁阻变化ΔRA。通过在自由磁化层39与保护层40之间设置另一防扩散层，能够防止Mn的扩散，从而避免了ΔRA的减少。

接下来，参照图2描述用以形成第一范例GMR膜30的方法。首先，利用上述相应的材料通过溅射、气相沉积或CVD形成从底层31到保护层40的每一层。

接着，对如此获得的层叠体进行热处理，同时对其施加预定方向的磁场。在例如如下条件下的真空气氛中执行热处理，即，加热温度为250℃-320℃，加热时间为2-4小时，施加的磁场为1592kA/m。该热处理能够将反铁磁层32的磁化方向设定为预定方向，从而通过反铁磁层32与固定磁化层33之间的交换相互作用能够将固定磁化层33的磁化固定在预定方向。在该热处理中，某些上述Mn-TM合金变为有序合金以便出现反铁磁性。

由此，在第一范例GMR30中，由于自由磁化层39由CoMnAl形成，因此磁阻变化ΔRA较大；并且由于自由磁化层39的CoMnAl成分落入上述预定成分范围之内，因此自由磁化层39具有较小的矫顽力。由此能够实现具有较高信号磁场检测灵敏度的高输出磁阻元件。

此外，第一范例GMR膜30包括位于非磁性金属层37与自由磁化层39之间的防扩散层38，以防止自由磁化层39内含有的Mn扩散到非磁性金属层37中。由此能够防止磁阻元件20的ΔRA的减少。特别地，通过对防扩散层38采用CoNiFe，能够增大ΔRA，并同时减少自由磁化层39与防扩散层38的层叠体的矫顽力。结果，能够实现具有更高信号磁场检测灵敏度的并产生更高输出的磁阻元件。

接下来，描述用以形成根据本发明第一实施例的第二范例GMR膜。第二范例GMR膜为图2所示的第一范例GMR膜30的变化例。

图3是用以形成根据第一实施例磁阻元件20的第二范例GMR膜50的断面图。在图3中，用相同的附图标记表示与上述元件相同的那些元件，并省略其说明。

参照图3，第二范例GMR膜50包括顺序叠置的底层31、反铁磁层32、固定磁化层叠体53、第二防扩散层51、非磁性金属层37、第一防扩散层38、自由磁化层39以及保护层40。固定磁化层叠体53通过从反铁磁层32侧依次叠置第一固定磁化层34、非磁性耦合层35以及第二固定磁化层56形成。GMR膜50具有单旋阀结构。通过相同的附图标记38表示与图2的防扩散层38相同材料和膜厚的第一防扩散层。

GMR膜50具有与图2的第一范例GMR膜30基本相同的构造，不同之处在于：第二固定磁化层56通过由通式CoMnZ(其中Z为选自Al、Si、Ga、Ge、Cu、Mg、V、Cr、In、Sn、B和Ni中的至少一种元素)表示并形成具有成分Co₅₀Fe₂₅Z₂₅(其中各含量以原子百分比表示)的何士勒合金晶体结构的铁磁材料形成；以及在第二固定磁化层56与非磁性金属层37之间设置第二防扩散层51。

第二固定磁化层56的铁磁材料即使在具有高矫顽力的情况下也不会对磁阻元件20的特性产生不利的影响。由此，第二固定磁化层56的材料可选自具有较大自旋相关体积散射系数的成分范围。结果能够增大ΔRA。

此外，第二固定磁化层56优选由CoMnAl形成。第二固定磁化层56的矫顽力不受限制。相应地，可选择具有较大自旋相关体积散射系数的CoMnAl成分。在CoMnAl成分中，为了使CoMnAl呈现铁磁性，需要使Co含量为20％原子百分比或更高；并且为了使CoMnAl具有足够大的电阻率，需要使Al含量为10％原子百分比或更高。

此外，在第二固定磁化层56与非磁性金属层37之间设置第二防扩散层51。由此，能够防止第二固定磁化层56中的Mn扩散到非磁性金属层37中。特别地，在将GMR膜50暴露于磁场热处理中的高温时，Mn变得易于扩散。但是，利用第一防扩散层38和第二防扩散层51能够防止Mn的扩散。结果能够防止ΔRA的减少。

由此，在第二范例GMR膜50中，由于第二固定磁化层56由CoMnZ形成则磁阻变化ΔRA较大，并且由于自由磁化层39的CoMnAl成分落入上述成分范围则自由磁化层39具有较低的矫顽力。因而，能够实现具有较高信号磁场检测灵敏度的高输出磁阻元件。

接下来，描述用以形成根据本发明第一实施例的磁阻元件20的第三范例GMR膜。第三范例是图2所示的第一范例GMR膜30的变化例。

图4是用以形成根据第一实施例磁阻元件的第三范例GMR膜60的断面图。在图4中，用相同的附图标记表示与上述元件相同的那些元件，并省略其说明。

参照图4，第三范例GMR膜60包括顺序叠置的底层31、下反铁磁层32、下固定磁化层叠体33、下非磁性金属层37、下防扩散层38、自由磁化层39、上防扩散层68、上非磁性金属层67、上固定磁化层叠体63、上反铁磁层62以及保护层40。也就是说，GMR膜60的构造为，在图2所示的第一范例GMR膜30的自由磁化层39与保护层40之间设置上防扩散层68、上非磁性金属层67、上固定磁化层叠体63以及上反铁磁层62。GMR膜60具有所谓的双旋阀结构。下反铁磁层32、下固定磁化层叠体33、下非磁性金属层37和下防扩散层38在材料和膜厚方面分别与图2所示的第一范例GMR膜30的反铁磁层32、固定磁化层叠体33、非磁性金属层37和防扩散层38相同，因而它们以相同的附图标记表示。

此外，上防扩散层68、上非磁性金属层67和上反铁磁层62采用的材料以及具有的膜厚范围可分别与下防扩散层38、下非磁性金属层37和下反铁磁层32采用的材料以及膜厚范围相同。

上固定磁化层叠体63具有所谓的合成铁磁结构，其中从上非磁性金属层67侧依次叠置上第二固定磁化层66、上非磁性耦合层65和上第一固定磁化层64。上第一固定磁化层64、上非磁性耦合层65和上第二固定磁化层66采用的材料以及具有的膜厚范围可分别与下第一固定磁化层34、下非磁性耦合层35和下第二固定磁化层36采用的材料以及膜厚范围相同。

在GMR膜60中，自由磁化层39的CoMnAl成分选自的成分范围与图2所示的第一范例GMR膜30的自由磁化层39成分范围相同。相应地，鉴于与第一范例GMR膜30的情况相同的原因，自由磁化层39的矫顽力被降低。因而具有GMR膜60的磁阻元件20对信号磁场具有更好的灵敏度。

此外，GMR膜60具有位于自由磁化层39与下非磁性金属层37之间的下防扩散层38，并具有位于自由磁化层39与上非磁性金属层67之间的上防扩散层68。因而可防止自由磁化层39内含有的Mn扩散到下非磁性金属层37及上非磁性金属层67中。结果能够防止ΔRA的减少。

而且，GMR膜60既具有由下固定磁化层叠体33、下非磁性金属层37、下防扩散层38和自由磁化层39形成的旋阀结构，又具有由自由磁化层39、上防扩散层68、上非磁性金属层67和上固定磁化层叠体63形成的旋阀结构。因而GMR膜60的磁阻变化ΔRA增大为基本等于第一范例GMR膜30的磁阻变化ΔRA的两倍。从而，相比第一范例GMR膜30，利用第三范例GMR膜60能够获得具有更高输出的磁阻元件。用以形成GMR膜60的方法与用以形成第一范例GMR膜30的方法基本相同，因而省略其说明。

由此，第三范例GMR膜60产生的效果与第一范例GMR膜30产生的效果相同，并且第三范例GMR膜60的磁阻变化ΔRA基本等于第一范例GMR膜30的磁阻变化的两倍。结果能够获得具有更高输出的磁阻元件。

接下来，描述用以形成根据本发明第一实施例的磁阻元件20的第四范例GMR膜。第四范例是图4所示的第三范例GMR膜60的变化例。

图5是用以形成根据第一实施例磁阻元件的第四范例GMR膜70的断面图。在图5中，用相同的附图标记表示与上述元件相同的那些元件，并省略其说明。

参照图5，第四范例GMR膜70包括顺序叠置的底层31、下反铁磁层32、下固定磁化层叠体71、下非磁性金属层37、下第一防扩散层38、自由磁化层39、上第一防扩散层68、上非磁性金属层67、上固定磁化层叠体72、上反铁磁层62以及保护层40。下固定磁化层叠体71通过从下反铁磁层32侧依次叠置下第一固定磁化层34、下非磁性耦合层35、下第二固定磁化层56和下第二防扩散层73而形成。此外，上固定磁化层叠体72通过从上非磁性金属层67侧依次叠置上第二防扩散层74、上第二固定磁化层76、上非磁性耦合层65和上第一固定磁化层64而形成。

在GMR膜70中，下第二固定磁化层56和上第二固定磁化层76均采用由通式CoMnZ(其中Z是选自Al、Si、Ga、Ge、Cu、Mg、V、Cr、In、Sn、B和Ni中的至少一种元素)表示并形成具有成分Co₅₀Mn₂₅Z₂₅(其中各含量以原子百分比表示)的何士勒合金晶体结构的铁磁材料形成。此外，GMR膜70具有设置在下第二固定磁化层56与下非磁性金属层37之间的下第二防扩散层73，并具有设置在上非磁性金属层67与上第二固定磁化层76之间的上第二防扩散层74。除此之外，GMR膜70的构造与图4所示的第三范例GMR膜60的构造相同。

下第二固定磁化层56与上第二固定磁化层76均由上述CoMnZ形成，并均具有大的自旋相关体积散射系数和大的电阻率。因而能够进一步增大ΔRA。另一方面，由于设置有下第二防扩散层73和上第二防扩散层74，因此能够防止Mn分别从下第二固定磁化层56和上第二固定磁化层76扩散到下非磁性金属层37和上非磁性金属层67中。

由此，GMR膜70能够产生的效果与第三范例GMR膜60产生的效果相同。并且，由于下第二防扩散层73和上第二防扩散层74均由CoMnZ形成，因此能够增大磁阻变化ΔRA，并从而进一步增大输出。

接下来，描述用以形成根据本发明第一实施例的磁阻元件20的第五范例GMR膜。第五范例是图5所示的第四范例GMR膜70的变化例。

图6是用以形成根据第一实施例磁阻元件的第五范例GMR膜80的断面图。在图6中，用相同的附图标记表示与上述元件相同的那些元件，并省略其说明。

参照图6，第五范例GMR80包括顺序叠置的底层31、下反铁磁层32、下固定磁化层叠体81、下非磁性金属层37、下第一防扩散层38、自由磁化层39、上第一防扩散层68、上非磁性金属层67、上固定磁化层叠体82、上反铁磁层62以及保护层40。下固定磁化层叠体81通过从下反铁磁层32侧依次叠置下第一固定磁化层34、下非磁性耦合层35、下界面磁性层83、下第二固定磁化层56和下第二防扩散层73而形成。此外，上固定磁化层叠体82通过从上非磁性金属层67侧依次叠置上第二防扩散层74、上第二固定磁化层76、上界面磁性层84、上非磁性耦合层65和上第一固定磁化层64而形成。也就是说，通过在图5所示的第四范例GMR膜70的下非磁性耦合层35和下第二固定磁化层56之间设置下界面磁性层83、并进一步在GMR膜70的上第二固定磁化层76与上非磁性耦合层65之间设置上界面磁性层84，以构造GMR膜80。

下界面磁性层83和上界面磁性层84均在0.2nm-2.5nm的厚度范围内，并均由铁磁材料形成。优选地，下界面磁层83和上界面磁性层84的材料均选自自旋相关界面散射系数比CoMnAl的自旋相关界面散射系数大的材料，例如CoFe、CoFe合金、NiFe和NiFe合金。CoFe合金例如包括CoFeNi、CoFeCu和CoFeCr。NiFe合金例如包括NiFeCu和NiFeCr。结果，能够增大磁阻变化ΔRA。对下界面磁性层83和上界面磁性层84可采用具有相同成分的材料、包含相同元素但具有不同成分比的材料、以及由相互不同的元素形成的材料。

此外，优选地，下界面磁性层83和上界面磁性层84的选自的材料范围和厚度范围分别与图2所示的第一范例GMR膜30的防扩散层38的材料范围和厚度范围相同。这能够防止Mn分别从均由CoMnZ形成的下第二固定磁化层56和上第二固定磁化层76扩散到下非磁性耦合层35和上非磁性耦合层65。由此防止了下界面磁性层83和上界面磁性层84各自的磁矩的减少，从而能够防止磁阻变化ΔRA的减少。

由此，第五范例GMR膜80产生的效果与第四范例GMR膜70产生的效果相同。此外，通过设置下界面磁性层83和上界面磁性层84，相比第四范例GMR膜70，GMR膜80能够具有更大的磁阻变化ΔRA，并从而产生更高的输出。

[范例实施]

在范例实施中，制造具有图6所示第一实施例的第五范例GMR膜80构造的磁阻元件。下面示出范例实施中的第一个样品至第二十个样品的GMR膜的具体构造。括号内的数值表示膜厚，其在整个范例实施中保持不变。

底层：NiCr(4nm)

下反铁磁层：IrMn(5nm)

下第一固定磁化层：Co₆₀Fe₄₀(3.5nm)

下非磁性耦合层：Ru(0.7nm)

下界面磁性层：CoFe(0.5nm)

下第二固定磁化层：Co_100-X-YMn_XAl_Y

下第二防扩散层：CoFe(0.5nm)

下非磁性金属层：Cu(3.5nm)

下第一防扩散层：CoFe(0.5nm)

自由磁化层：Co_100-X-YMn_XAl_Y

上第一防扩散层：CoFe(0.5nm)

上非磁性金属层：Cu(3.5nm)

上第二防扩散层：CoFe(0.5nm)

上第二固定磁化层：Co_100-X-YMn_XAl_Y

上界面磁性层：CoFe(0.5nm)

上非磁性耦合层：Ru(0.7nm)

上第一固定磁化层：Co₆₀Fe₄₀(3.5nm)

上反铁磁层：IrMn(5nm)

保护层：Ru(5nm)

在每个样品中，下第二固定磁化层、自由磁化层和上第二固定磁化层中的成分Co_100-X-YMn_XAl_Y相同。此外，将下第二固定磁化层、自由磁化层和上第二固定磁化层的各膜厚选择成使得饱和磁通密度与膜厚的乘积为7nTm。此外，X和Y均为以原子百分比表示的含量。

图7示出根据第一实施例的范例实施中、自由磁化层的成分与矫顽力的关系。

参照图7，在进行范例实施中，对下第二固定磁化层、自由磁化层和上第二固定磁化层采用的CoMnAl成分在第一个样品至第二十个样品中是不同的。按照如下方式制造在该范例实施中的每个样品。

在其上形成有热氧化膜的硅衬底中，形成从硅衬底侧层叠的Cu(250nm)与NiFe(50nm)的层叠膜。然后，在不对衬底进行加热的超高真空(2×10^-6或以下的真空)气氛中，利用溅射装置形成从底层到保护层的层叠体中的具有上述成分和膜厚的各个层。

接下来，进行热处理，以使反铁磁层出现反铁磁性。热处理的条件为：加热温度为300℃，处理时间为3小时，施加的磁场为1952kA/m。

接下来，通过离子研磨(ion milling)将如上形成的层叠体研磨，由此制成接合面积从0.1μm²到0.6μm²的六种类型的层叠体。对于每个接合面积，制成40个层叠体。

接下来，利用氧化硅(silicon oxide)膜覆盖如上获得的层叠体。然后，通过干蚀刻露出保护层，并形成用以与保护层接触的由Au膜制成的上电极。

对如上获得的第一个样品至第二十个样品测量自由磁化层的矫顽力。自由磁化层铁磁地耦合到下第一防扩散层和上第一防扩散层。因而，测量得到的矫顽力为其中结合了这三层的层叠体的矫顽力。根据由直流四探针法(DC four-probe method)得到的磁阻曲线来确定矫顽力。

此外，分别测量第5个样品、第9个样品、第13个样品、第17-20个样品的ΔRA。这些样品具有如下面图8所示的PQ线上的成分。在测量ΔRA的过程中，测量磁阻变化ΔR，并对具有基本相同接合面积的多个磁阻元件确定磁阻变化ΔR值的平均值。根据平均磁阻变化ΔR值和接合面积A确定单位面积的磁阻变化ΔRA。此外，在确认了具有相互不同的接合面积A的六种类型磁阻元件具有基本相同的ΔRA之后，确定这些ΔRA值的平均值，将其作为最终ΔRA值。

在磁阻变化ΔR的测量过程中，感应电流的电流值是2mA，在-79kA/m到79kA/m的范围内，平行于下第二固定磁化层和上第二固定磁化层的磁化方向进行外部磁场扫描，并利用数字伏特计测量下电极与上电极之间的电压，由此获得磁阻曲线。然后，根据磁阻曲线的最大值与最小值之差确定磁阻变化ΔR。

图8是示出自由磁化层的矫顽力与成分范围的图。在图8中，以三元成分图示出图7所示的自由磁化层的矫顽力值。在该三元成分图中，从图8的三角形底部到右边延伸的每条虚线表示对应的Co含量的原子百分比，从图8的三角形左边到底部延伸的每条虚线表示对应的Mn含量的原子百分比，并且从图8的三角形右边到左边延伸的每条虚线表示对应的Al含量的原子百分比。

图8示出具有何士勒合金成分Co₅₀Mn₂₅Al₂₅的自由磁化层的矫顽力为11.5Oe；并且随着Co含量边上的成分增加和Mn含量边上的成分降低，矫顽力降低。

从上述结果可以看出，为了获得比何士勒合金成分的矫顽力低的矫顽力，将自由磁化层的CoMnAl成分设定在图8的三元成分图中通过用直线依次连接点A(44，23，33)、点B(48，25，27)、点C(60，20，20)、点D(65，15，20)、点E(65，10，25)、点F(60，10，30)以及点A构成的区域(成分范围)ABCDEFA内，其中在该三元成分图中，将各成分坐标表示为(Co含量，Mn含量，Al含量)。在该成分范围内，自由磁化层的矫顽力低于11.5Oe。因而自由磁化层的矫顽力低于何士勒合金成分Co₅₀Mn₂₅Al₂₅的矫顽力，从而实现对信号磁场的好的灵敏度。

在Al含量小于20％(原子百分比)的成分范围内，自由磁化层的矫顽力趋于增大。因而这种范围不是优选的。此外，对于Al含量高于AF边上的Al含量的成分，矫顽力降低，但是由于作为非磁性元素的Al增多，因而饱和磁通密度显著减小。必需使自由磁化层的饱和磁通密度与膜厚的乘积大于或等于预定值。因此，Al含量高于AF边上的Al含量的成分不是优选的，因为对于这些成分，膜厚增大会导致所谓的读出间隙长度(read gap length)过度增大。

图9是示出在范例实施中、自由磁化层的矫顽力与Al含量之间关系的曲线图。图10是示出在范例实施中、磁阻元件的ΔRA(mΩμm²)与Al含量之间关系的曲线图。图9和图10所示的样品的成分中，CoMnAl满足(Co₂Mn)_100-AAl_A(A为15.0％(原子百分比)至38.0％(原子百分比))。这些样品具有图8所示的直线PQ上的成分，并且为图7所示的第5个样品、第9个样品、第13个样品、第17-20个样品。

图9示出在Al含量为25％原子百分比的情况下，即，在何士勒合金成分的情况下，矫顽力为11.5Oe，且对于更高Al含量的成分，矫顽力低于11.5Oe。

参照图10，随着成分所含的Al含量高于25％(原子百分比)(该25％(原子百分比)为何士勒合金成分的Al含量)，ΔRA增大、并在Al含量接近30％(原子百分比)时达到最大。与此同时，ΔRA随着Al含量的进一步增加而减低。这表明Al含量的范围在27％(原子百分比)至33％(原子百分比)是更优选的，因为ΔRA大于何士勒合金成分的情形。也就是说，这表明Al含量在图8所示直线PQ上的27％(原子百分比)至33％(原子百分比)范围内的成分是更优选的，因为相比何士勒合金成分，自由磁化层的矫顽力下降且ΔRA增大。本领域技术人员易于推断得出，该更优选的成分范围不限于直线PQ，而可以包括Co含量例如与直线PQ上的成分相差±1％(原子百分比)之内的范围。

根据这种范例实施，通过从图8所示的区域ABCDEFA选择自由磁化层的CoMnAl成分，可使自由磁化层的矫顽力低于11.5Oe(该11.5Oe为何士勒合金成分(Co₅₀Mn₂₅Al₂₅)的矫顽力)。随着记录密度的增大，来自磁记录介质的信号磁场强度不可避免地降低。因而，自由磁化层的矫顽力的这种降低能够实现支持高记录密度的磁阻元件。

[第二实施例]

根据本发明第二实施例的磁头包括具有隧道磁阻(TMR)膜的磁阻元件。根据第二实施例的磁头的构造可与图1所示的磁头10的构造基本相同，不同之处在于，TMR膜代替了用以形成磁头10的磁阻元件20的GMR膜30。相应地，省略对根据第二实施例的磁头的描述。下面描述用以形成磁阻元件20的五个范例(第一范例至第五范例)TMR膜。第一范例TMR膜至第五范例TMR膜中的任一种TMR膜都可应用于磁阻元件20。

图11是用以形成根据第二实施例磁阻元件20的第一范例TMR膜90的断面图。在图11中，用相同的附图标记表示与上述元件相同的那些元件，并省略其说明。

参照图11，第一范例TMR膜90包括顺序叠置的底层31、反铁磁层32、固定磁化层叠体33、非磁性绝缘层37a、自由磁化层39以及保护层40。

TMR膜90的构造与上述图2所示的GMR膜30的构造基本相同，不同之处在于，由绝缘材料形成的非磁性绝缘层37a代替了非磁性金属层37，并且省略了防扩散层38。在TMR膜90中，通过在自由磁化层39与第二固定磁化层36之间设置非磁性绝缘层37a，根据由自由磁化层39的磁化方向与第二固定磁化层36的磁化方向所构成的角度，来产生铁磁隧道效应，从而改变自由磁化层39与第二固定磁化层36之间的电阻。

非磁性绝缘层37的厚度例如为0.2nm-2.0nm，并且由选自Mg、Al、Ti、Zr构成的组中一种元素的氧化物形成。这种氧化物的例子包括MgO、AlO_x、TiO_x和ZrO_x。这里，X表示某种成分可以为与各材料的化合物成分不同的成分。特别优选地，非磁性绝缘层37a为结晶质(crystalline)MgO；并且还特别优选地，MgO的(001)面基本平行于与感应电流方向垂直的膜表面，这是因为膜表面单位面积的隧道电阻变化(此后称为“隧道电阻变化”，除非另有标注)增大。或者，非磁性绝缘层37a可由选自Al、Ti、Zr构成的组中一种元素的氮化物或氮氧化物形成。这种氮化物的例子包括AlN、TiN、ZrN。

可利用溅射、CVD或气相沉积将上述材料直接形成为非磁性绝缘层37a。或者，可利用溅射、CVD或气相沉积形成金属膜，之后通过氧化或氮化处理将金属膜转变成氧化膜或氮化膜，由此形成非磁性绝缘层37a。下述第三范例(图13)的上非磁性绝缘层67a可以与非磁性绝缘膜37a相同的形成方式形成。

隧道电阻变化以与测量第一实施例单位面积的磁阻变化ΔRA相同的方式获得。自由磁化层39和第二固定磁化层36各自的自旋极化(spinpolarization)越高，隧道电阻变化越大。这里，自旋极化是指铁磁层(自由磁化层39或第二固定磁化层36)通过绝缘膜(非磁性绝缘层37a)的自旋极化。CoMnAl的自旋相关体积散射系数大于传统上采用的NiFe和CoFe的自旋相关体积散射系数。相应地，通过如第一实施例那样对自由磁化层39采用CoMnAl，可期望实现单位面积隧道电阻变化的增大。此外，也可通过对第二固定磁化层36采用CoMnAl，期望实现单位面积隧道电阻变化的增大。这同样适用于第三范例60上第二固定磁化层66(图13)。

自由磁化层39的CoMnAl的成分范围与第一实施例中所述自由磁化层39的CoMnAl的成分范围相同。即，将自由磁化层39的CoMnAl成分设定在图8的三元成分图中通过用直线依次连接点A(44，23，33)、点B(48，25，27)、点C(60，20，20)、点D(65，15，20)、点E(65，10，25)、点F(60，10，30)以及点A构成的区域(成分范围)ABCDEFA内，其中在该三元成分图中，将各成分坐标表示为(Co含量，Mn含量，Al含量)。因此，自由磁化层39的矫顽力降低，从而获得具有TMR膜的、对信号磁场具有灵敏度好的磁阻元件。

图2所示的防扩散层38未设置在TMR膜90中。这是因为，自由磁化层39的CoMnAl内含有的Mn几乎不能扩散到非磁性绝缘层37a中，从而不会使隧道电阻变化受到不利的影响。或者，也可如下述第二范例TMR膜那样来设置防扩散层。

接下来，描述用以形成根据第二实施例磁阻元件20的TMR膜。第二范例TMR膜是图11所示的第一范例TMR膜90的变化例。

图12是用以形成第二实施例磁阻元件20的第二范例TMR膜91的断面图。在图12中，用相同的附图标记表示与上述元件相同的那些元件，并省略其说明。

参照图12，第二范例TMR膜91包括顺序叠置的底层31、反铁磁层32、固定磁化层叠体53、第二防扩散层51、非磁性绝缘层37a、第一防扩散层38、自由磁化层39以及保护层40。固定磁化层叠体53通过从反铁磁层32侧依次叠置第一固定磁化层34、非磁性耦合层35和第二固定磁化层56而形成。

第二范例TMR膜91的构造与图11的第一范例TMR膜90具有的构造基本相同，不同之处在于以下几点。在第二范例TMR膜91中，第二固定磁化层56通过由通式CoMnZ(其中Z为选自Al、Si、Ga、Ge、Cu、Mg、V、Cr、In、Sn、B和Ni中的至少一种元素)表示并形成具有成分Co₅₀Mn₂₅Z₂₅(其中各含量以原子百分比表示)的何士勒合金结晶结构的铁磁材料形成。此外，在TMR膜91中，在第二固定磁化层56与非磁性绝缘层37a之间设置有第二防扩散层51，并在非磁性绝缘层37a与自由磁化层39之间设置有第一防扩散层38。

由于第二固定磁化层56由CoMnZ形成并具有大的自旋相关体积散射系数，因此，TMR膜91的隧道电阻变化能够大于第一范例TMR膜90的隧道电阻变化。此外，第二固定磁化层56优选由CoMnAl形成。由于第二固定磁化层56的矫顽力不受限制，因此可选择具有大自旋相关体积散射系数的CoMnAl成分。在CoMnAl的成分中，为了使CoMnAl呈现铁磁性，需要使Co含量为20％(原子百分比)或更高；并且为了使CoMnAl具有充分的电阻率，需要使Al含量为10％(原子百分比)或更高。

此外，在非磁性绝缘层37a与自由磁化层39之间设置有第一防扩散层38，并在第二固定磁化层56与非磁性绝缘层37a之间设置有第二防扩散层51。因而如第一实施例所述的，能够完全防止自由磁化层39和第二固定磁化层56的Mn的扩散。特别地，在将TMR膜91暴露于磁场热处理中的高温时，Mn变得易于扩散。但是，利用第一防扩散层38和第二防扩散层51能够防止Mn的扩散。

由此，在第二范例TMR膜91中，由于第二固定磁化层56由CoMnZ形成，因此隧道电阻变化很大；并且由于自由磁化层39的CoMnAl成分落入上述预定成分范围之内，因此自由磁化层39具有较小的矫顽力。因而能够实现具有较高信号磁场检测灵敏度的高输出磁阻元件。

通过应用第一实施例的第一范例GMR膜30中所述防扩散层38的成分和膜厚，TMR91能够产生与GMR膜30相同的效果。

此外，尽管未图示，但是优选在自由磁化层39与保护层40之间进一步设置另一防扩散层，该另一防扩散层选取的材料范围和厚度范围与防扩散层38的材料范围和厚度范围相同。基于保护层40的材料，自由磁化层39内的Mn可扩散到保护层40中。这减少了自由磁化层39的磁矩，从而减少了磁阻变化ΔRA。通过在自由磁化层39与保护层40之间设置另一防扩散层，能够防止Mn的扩散，从而避免了ΔRA的减少。

接下来，描述用以形成根据第二实施例磁阻元件20的第三范例TMR膜。第三范例TMR膜是图11所示的第一范例TMR膜90的变化例。

图13是用以形成根据第二实施例磁阻元件20的第三范例TMR膜92的断面图。在图13中，用相同的附图标记表示与上述元件相同的那些元件，并省略其说明。

参照图13，第三范例TMR膜92包括顺序叠置的底层31、下反铁磁层32、下固定磁化层叠体33、下非磁性绝缘层37a、自由磁化层39、上非磁性绝缘层67a、上固定磁化层叠体63、上反铁磁层62以及保护层40。也就是说，TMR膜92的构造为，在图11所示的第一范例TMR膜90的自由磁化层39与保护层40之间设置上非磁性绝缘层67a、上固定磁化层叠体63以及上反铁磁层62。TMR膜92具有所谓的双旋阀结构。

下反铁磁层32、下固定磁化层叠体33和下非磁性绝缘层37a在材料和膜厚方面分别与图11所示的第一范例TMR膜90的反铁磁层32、固定磁化层叠体33和非磁性绝缘层37a相同，因而它们以相同的附图标记表示。此外，上非磁性绝缘层67a和上反铁磁层62采用的材料以及具有的膜厚范围可设定成分别与下非磁性绝缘层37a和下反铁磁层32采用材料以及具有的膜厚范围相同。

此外，上固定磁化层叠体63具有所谓的合成铁磁结构，其中从上非磁性绝缘层67a侧依次叠置上第二固定磁化层66、上非磁性耦合层65和上第一固定磁化层64。上第一固定磁化层64、上非磁性耦合层65和上第二固定磁化层66采用的材料以及具有的膜厚范围可设定成分别与下第一固定磁化层34、下非磁性耦合层35和下第二固定磁化层36采用的材料以及具有的膜厚范围相同。

在TMR膜92中，自由磁化层39的CoMnAl成分选自的成分范围与图11所示的第一范例TMR膜90的自由磁化层39的成分范围相同。相应地，与第一范例TMR膜90的情况相同，自由磁化层39的矫顽力降低。因而能够产生高输出，并能提高对信号磁场的灵敏度。

此外，TMR膜92具有双旋阀结构。因而TMR膜92的隧道电阻变化增大至基本等于第一范例TMR膜90的隧道电阻变化的两倍。

由此，在第三范例TMR膜92中自由磁化层39的矫顽力降低，并且相比第一范例TMR膜90，TMR膜92能够实现具有更高输出的磁阻元件。用以形成TMR膜92的方法与用以形成第一范例TMR膜90的方法基本相同，因而省略其说明。

接下来，描述用以形成根据第二实施例磁阻元件20的第四范例TMR膜。第四范例TMR膜是图13所示的第三范例TMR膜92的变化例。

图14是用以形成根据第二实施例磁阻元件20的第四范例TMR膜93的断面图。在图14中，用相同的附图标记表示与上述元件相同的那些元件，并省略其说明。

参照图14，第四范例TMR膜93的构造与图13所示的第三范例TMR膜92的构造基本相同，不同之处在于，在下非磁性绝缘层37a与自由磁化层39之间设置有下防扩散层38，并在自由磁化层39与上非磁性绝缘层67a之间设置有上防扩散层68。

根据第四范例TMR膜93，下防扩散层38和上防扩散层68各自的材料成分和膜厚的可选自的材料成分范围以及膜厚范围与图12所示第二范例TMR膜91的第一防扩散层38的材料成分范围以及膜厚范围相同。在将TMR膜93暴露于磁场热处理中的高温时，Mn变得易于扩散。但是，利用下防扩散层38和上防扩散层68能够完全防止自由磁化层39的Mn的扩散。结果，能够防止隧道电阻变化的减少。

由此，根据第四范例TMR膜93，能够防止隧道电阻变化的减少，从而能够实现对信号磁场具有较高灵敏度的高输出磁阻元件。

接下来，描述用以形成根据第二实施例磁阻元件20的第五范例TMR膜。第五范例TMR膜是图14所示的第四范例TMR膜93的变化例。

图15是用以形成根据第二实施例磁阻元件20的第五范例TMR膜94的断面图。在图15中，用相同的附图标记表示与上述元件相同的那些元件，并省略其说明。

参照图15，根据第五范例TMR膜94，下第二固定磁化层56通过由通式CoMnZ(其中Z为选自Al、Si、Ga、Ge、Cu、Mg、V、Cr、In、Sn、B和Ni中的至少一种元素)表示并形成具有成分Co₅₀Mn₂₅Z₂₅(其中各含量以原子百分比表示)的何士勒合金晶体结构的铁磁材料形成；在下非磁性耦合层35与下第二固定磁化层56之间设置有下界面磁性层83；并在下第二固定磁化层56与非磁性绝缘层37a之间设置有下第二防扩散层73。此外，在TMR膜94中，上第二固定磁化层76通过由通式CoMnZ(其中Z为选自Al、Si、Ga、Ge、Cu、Mg、V、Cr、In、Sn、B和Ni中的至少一种元素)表示并形成具有成分Co₅₀Mn₂₅Z₂₅(其中各含量以原子百分比表示)的何士勒合金晶体结构的铁磁材料形成；在上非磁性绝缘层67a与上第二固定磁化层66之间设置有上第二防扩散层74；并在上第二固定磁化层76与上非磁性耦合层65之间设置有上界面磁性层84。在其他构造方面，TMR膜94与图14所示的第四范例TMR膜93相同。

由于下第二固定磁化层56和上第二固定磁化层76均由CoMnZ形成，因此隧道电阻变化很大。此外，自由磁化层39的CoMnAl设定在上述预定成分范围内，从而自由磁化层39的矫顽力较低。因而能够实现具有信号磁场检测灵敏度好的高输出磁阻元件。

此外，通过设置下第二防扩散层73和上第二防扩散层74，能够完全防止下第二固定磁化层56和上第二固定磁化层76的Mn的扩散。

此外，对于TMR膜94的下界面磁性层83，选择与第一实施例的第五范例GMR膜80的下界面磁性层83相同的材料和膜厚。此外，对于TMR膜94的上界面磁性层84，选择与第一实施例的第五范例GMR膜80的上界面磁性层84相同的材料和膜厚。因而能够增大隧道电阻变化。

由此，相比第四范例TMR膜93，第五范例TMR膜94能够进一步增大隧道电阻变化。因而能够实现对信号磁场具有更高灵敏度并具有更高输出的磁阻元件。

[第三实施例]

图16是根据本发明第三实施例的磁存储装置100的局部平面图。

参照图16，磁存储装置100包括壳体101。在壳体101中，设置有由心轴(未图示)驱动的轮毂102、固定于轮毂102并由该心轴转动的磁记录介质103、致动装置104、由致动装置104支撑以沿磁记录介质103的径向驱动的臂105和悬架106、以及由悬架106支撑的磁头108。

磁记录介质103可以为纵向磁记录型或者垂直磁记录介质型。或者，磁记录介质103可具有斜各向异性(oblique anisotropy)。此外，磁记录介质103不限于磁盘，也可以为磁带。

磁头108包括如图1所示的、形成于陶瓷衬底11上的磁阻元件20和形成于该磁阻元件上的感应式记录元件13。该感应式记录元件13可以是用于纵向磁记录的环式记录元件、用于垂直磁记录的单极磁头或者任何其它已知的记录元件。磁阻元件20包括第一实施例的第一至第五范例GMR膜中的任一种GMR膜，或者第二实施例的第一至第五范例TMR膜中的任一种TMR膜。因而磁阻元件20能够产生高输出并对信号磁场具有好的灵敏度。相应地，磁存储装置100适用于高密度记录。根据该实施例的磁存储装置100的基本构造不限于图16所示的构造。

[第四实施例]

图17A是根据本发明第四实施例的第一范例磁内存装置110的断面图。图17B是示出图17A所示GMR膜30的构造的示意图。图18是磁内存装置110的存储单元111的等效电路图。在图17A中，还示出了正交坐标轴以表示方向。其中，Y₁和Y₂方向垂直于纸面(X-Z面)，且Y₁方向为入纸面的方向，Y₂方向为出纸面的方向。在下文中，如果某一方向仅称为例如“X方向”，则该方向可以为X₁方向，也可以为X₂方向。对“Y方向”和“Z”方向也是如此。在附图中，由相同的附图标记表示与上述元件相同的那些元件，并省略其说明。

参照图17A、图17B和图18，磁内存装置110包括例如以矩阵方式排列的多个存储单元111。每个存储单元111包括磁阻膜(GMR膜30)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)112。可对MOSFET 112采用p沟道MOSFET或n沟道MOSFET。这里，采用n沟道MOSFET(其中电子用作载流子)为例进行描述。

MOSFET 112包括：p阱区114，其包含形成于硅衬底113中的p型杂质；以及杂质扩散区115a和115b，其形成于p阱区114中的硅衬底113的表面附近，且相互分离。将N型杂质引入杂质扩散区115a和115b。这里，杂质扩散区115a用作源极S，而其它杂质扩散区115b用作漏极D。MOSFET 112具有形成于栅极绝缘膜116上的栅极G，该栅极绝缘膜116形成于两个杂质扩散区115a和115b之间硅衬底113的表面上。

MOSFET 112的源极S通过垂直互连124a和层内互连125电连接到GMR膜30的一侧，例如底层31。此外，板线(plate line)118通过垂直互连124b电连接到漏极D。读出字线(word line for reading)119电连接到栅极G。或者，栅极G也可用作读出字线119。

此外，位线(bit line)120电连接到GMR膜的另一侧，例如保护膜40。在GMR膜30下方设置与其绝缘的写入字线(word line for writting)121。

GMR膜30如图2所示的构造。在GMR膜30中，自由磁化层39的磁结晶易轴(magneto crystalline easy axis)和磁结晶难轴(magnetocrystalline hard axis)分别沿着X轴和Y轴定向，如图17A所示。可以通过热处理或者通过形状各向异性来形成磁结晶易轴的方向。在通过形状各向异性来形成X轴方向的磁结晶易轴时，GMR膜30的平行于其膜表面(或平行于X-Y面)的断面形状形成为矩形，且该矩形具有X轴方向的长边和Y轴方向上的短边。

在磁内存装置110中，硅衬底113的表面和栅极G被诸如氮化硅膜或氧化硅膜之类的层间绝缘膜123覆盖。GMR膜30、板线118、读出字线119、位线120、写入字线121、垂直互连124a和124b以及层内互连125具有上述电连接关系，除此之外，它们通过层间绝缘膜123相互电绝缘。

磁内存装置110保存GMR膜30中的信息。基于自由磁化层39的磁化方向是平行于还是逆平行于第二固定磁化层36的磁化方向来保存信息。

接下来，描述磁内存装置110的写入操作和读出操作。通过分别设置于GMR膜30上和GMR膜30下方的位线120和写入字线121来执行磁内存装置110向GMR膜30写入信息的操作。位线120在GMR膜30上方沿X方向延伸。通过使电流流经位线120，沿Y方向向GMR膜30施加磁场。写入字线121在GMR膜30下方沿Y方向延伸。通过使电流流经写入字线121，沿X方向向GMR膜30施加磁场。

当基本上不施加磁场时，GMR膜30的自由磁化层的磁化定向于X方向(例如X₂方向)。该磁化方向是稳定的。

在向GMR膜30写入信息的情况下，使电流同时流经位线120和写入字线121。例如，在将自由磁化层39的磁化定向于X₁方向的情况下，使电流沿Y₁方向流经写入字线121。从而，磁场在GMR膜30中沿X₁方向。此时，使电流流经位线120的方向可以是X₁方向，也可以是X₂方向。由流经位线120的电流产生的磁场在GMR膜30中沿Y₁方向或者Y₂方向，而且用作使自由磁化层39的磁化越过磁结晶难轴的障壁(barrier)的磁场的一部分。也就是说，由于自由磁化层39的磁化同时施加X₁方向的磁场和Y₁或Y₂方向的磁场，自由磁化层39的定向于X₂方向的磁化能够反转为沿X₁方向。在消除磁场之后，自由磁化层39的磁化保持定向于X₁方向并保持稳定，除非施加用于下一写入操作的磁场或者用于擦除操作的磁场。

由此，基于自由磁化层39的磁化方向，能够将“1”或“0”记录在GMR膜30中。例如，当第二固定磁化层36的磁化方向为X₁方向时，如果自由磁化层39的磁化方向为X₁方向则记录“1”(低隧道电阻状态)；如果自由磁化层39的磁化方向为X₂方向则记录“0”(高隧道电阻状态)。

在写入操作时向位线120和写入字线121供应的各电流大小为：只流经位线120和字线121其中之一的电流不使自由磁化层39的磁化反转。结果，仅在GMR膜30的自由磁化层39的磁化中在供有电流的位线120与供有电流的写入字线121相交处进行记录。在源极S侧的阻抗高，以在写入操作中使电流流经位线120时防止电流流经GMR膜30。

同时，通过向位线120施加相对于源极S的负电压、并向读出字线119(即栅极G)施加高于MOSFET 112阈值的电压(正电压)，进行磁内存装置110从GMR膜30读出信息的操作。结果，MOSFET 112导通，从而电子从位线120经GMR膜30、源极S和漏极D流向板线118。通过将诸如电表之类的电流值检测仪128电连接到板线118，检测与自由磁化层39相对于第二固定磁化层36磁化方向的磁化方向对应的磁阻值。由此能够读出保存在GMR膜30中的信息“1”或“0”。

根据本发明第四实施例的第一范例磁内存装置110，GMR膜30的自由磁化层39由CoMnAl形成，从而磁阻变化ΔRA很大。因此，根据该磁内存装置110，在读出信息时分别对应于保存的“0”和“1”的磁阻值之差很大，从而能够精确地进行读出。此外，如上面第一实施例所述的，在GMR膜30中，通过在预定范围内选择自由磁化层39的CoMnAl的成分，能够降低自由磁化层39的矫顽力。因此，根据该磁内存装置110，能够降低写入操作时施加的磁场强度，从而能够减小写入操作时流经位线120和写入字线121的电流。由此，根据该磁内存装置110，能够减少功耗。

此外，GMR膜30具有设置在非磁性金属层37与自由磁化层39之间的防扩散层38。因此，可防止自由磁化层39内含有的Mn扩散到非磁性金属层37中。由此，能够防止GMR膜30的ΔRA的减少。特别地，通过对防扩散层38采用CoNiFe，能够同时实现ΔRA的增大以及自由磁化层39与防扩散层38的多层体的矫顽力降低。从而根据该磁内存装置110，能够降低写入操作时施加的磁场强度。由此能够减小写入操作时流经位线120和写入字线121的电流。因此，根据该磁内存装置110，能够减少功耗。

磁内存装置110的GMR膜30可替换为分别如图3、图4、图5、图6所示的第一实施例的第二范例GMR膜50、第三范例GMR膜60、第四范例GMR膜70、第五范例GMR膜80中的任一种。此外，也可采用第二范例GMR膜50、第三范例GMR膜60、第四范例GMR膜70、第五范例GMR膜80中的任一种上述变化例。

图19是示出用以形成磁内存装置的TMR膜的构造视图，该磁内存装置为根据本发明第四实施例的第一范例磁内存装置110的变化例。参照图19以及图17A，磁内存装置110的GMR膜30也可替换为TMR膜90。TMR膜90的构造与图11所示用以形成根据第二实施例的磁阻元件20的第一范例TMR膜的构造相同。根据该TMR膜90，例如底层31与层内互连125相接触，并且保护膜40与位线120相接触。此外，自由磁化层39的磁结晶易轴以与上述GMR膜30的情况相同的方式设置。在采用TMR膜90情况下的磁内存装置110的写入操作和读出操作与采用GMR膜30情况相同，因而省略其说明。

如第二实施例所述的，TMR膜90产生隧道效应。在TMR膜90中，由于自由磁化层39由CoMnAl形成，所以隧道电阻变化很大。因此，根据磁内存装置110，在读出信息时对应于保存的“0”和“1”的隧道电阻值之差很大，从而能够精确地进行读出。此外，由于自由磁化层39的矫顽力降低，所以TMR膜90的灵敏度高。因此，根据磁内存装置110，能够降低功耗。

磁内存装置110的TMR膜90可以替换为分别如图12至图15所示第二实施例的第二范例至第五范例TMR膜91-94中的任一种。此外，还可采用第二范例至第五范例TMR膜91-94中的任一种上述变化例。

图20是根据本发明第四实施例的第二范例磁内存装置130的断面图。在图20中，用相同的附图标记表示与上述元件相同的那些元件，并省略其说明。

参照图20，磁内存装置130具有不同于第一范例磁内存装置110的、用以向GMR膜30写入信息的机构。除了不设置写入字线121，磁内存装置130的各存储单元的构造与图17A和图17B所示存储单元111的构造相同。下面参照图20以及图17B描述磁内存装置130。

磁内存装置130的写入操作不同于第一范例磁内存装置110的写入操作。根据磁内存装置130，向GMR膜30注入自旋极化电流Iw，并且依据注入的电流Iw的方向，自由磁化层39的磁化方向相对于第二固定磁化层36的磁化方向从平行状态反转(或切换)为逆平行状态或从逆平行状态反转(或切换)为平行状态。自旋极化电流Iw为电子可采取的两种自旋方向之一的电子流。通过使自旋极化电流Iw沿向上(Z₁)或向下(Z₂)方向流经GMR膜30，在自由磁化层39的磁化过程中生成扭矩，以引起所谓的自旋转移磁化切换(反转)。自旋极化电流Iw的电流量可根据自由磁化层39的膜厚适当选择，其接近数毫安至20毫安。自旋极化电流Iw的量小于在如图17A所示第一范例磁内存装置110的写入操作时流经位线120和写入字线121的电流量。因此，根据磁内存装置130，能够进一步降低功耗。

能够通过使电流垂直流经一多层体来产生自旋极化电流，该多层体的构造与具有两层铁磁层和夹入其间的Cu膜的GMR膜30的构造基本相同。可通过使两层铁磁层的磁化方向相互平行或逆平行来控制电子的自旋方向。磁内存装置130的读出操作与图17A所示第一范例磁内存装置110的读出操作相同。

第二范例磁内存装置130产生的效果与第一范例磁内存装置110产生的效果相同。此外，第二范例磁内存装置130中写入操作时的电流量能够小于第一范例磁内存装置110的情况。因此，根据第二范例磁内存装置130，能够进一步减少功耗。

磁内存装置130的GMR膜30可以替换为分别如图3、图4、图5、图6所示的第二范例GMR膜50、第三范例GMR膜60、第四范例GMR膜70、第五范例GMR膜80中的任一种GMR膜。或者，磁内存装置130的GMR膜30也可替换为分别如图11至图15所示第二实施例的第一范例至第五范例TMR膜90-94中的任一种GMR膜。

此外，第四实施例的第一范例磁内存装置110和第二范例磁内存装置130中，可通过MOSFET 112对写入操作和读出操作时的电流进行控制。或者，也可通过任一其它已知方法进行所述电流控制。

根据本发明的一个方案，对CPP磁阻元件的自由磁化层采用CoMnAl。CoMnAl具有相对较大的自旋相关体积散射系数，该自旋相关体积散射系数基本上等于传统上用作自由磁化层材料的CoFe的自旋相关体积散射系数。此外，CoMnAl的电阻率显著大于CoFe的电阻率。因此，通过对自由磁化层和/或固定磁化层采用CoMnAl，能够使取决于自旋相关体积散射系数与电阻率的乘积的磁阻变化显著大于采用CoFe的情况。结果，能够极大地增大磁阻元件的输出。此外，根据本发明的一个方案，在非磁性金属层与自由磁化层之间设置防扩散层，以防止自由磁化层内含有的Mn扩散到非磁性金属层中。非磁性金属层中Mn的存在会导致固定磁化层与自由磁化层以相同的磁化方向磁性耦合，从而使固定磁化层的磁化和自由磁化层的磁化相对于外部磁场以相同的角度移动。通过设置防扩散层，能够防止Mn扩散到非磁性金属层中，由此防止了在Mn扩散到非磁性金属层的情况下导致的ΔRA的减小。

此外，本发明的发明人研究发现，通过在上述区域ABCDEFA内选择自由磁化层的CoMnAl成分，能够使自由磁化层的矫顽力低于何士勒合金成分Co₅₀Mn₂₅Al₂₅的情况。由此，对来自磁记录介质的信号磁场的灵敏度增大，从而能够应对来自磁记录介质的信号磁场强度由于高记录密度而降低的情况。因此，根据本发明，能够实现具有较高磁场检测灵敏度的高输出磁阻元件。CPP型是指这样一种方法，通过该方法，能够使感应电流在垂直于磁阻膜的膜表面的方向(即，磁阻膜的多个层的叠置方向)上流动。

根据本发明的一个方案，由于磁阻元件产生高输出并对来自磁记录介质的信号磁场具有较高的灵敏度，能够提供具有较高记录密度的磁存储装置。

根据本发明的一个方案，对磁内存装置内的自由磁化层采用CoMnAl。因此，取决于自旋相关体积散射系数与电阻率的乘积的磁阻变化显著大于采用CoFe的情况。由此，分别对应于保存的“0”和“1”的磁阻值之差很大，从而磁内存装置能够在读出信息时精确地进行读出。此外，在非磁性金属层与自由磁化层之间设置防扩散层，以防止自由磁化层内含有的Mn扩散到非磁性金属层中。防扩散层能够防止由于磁内存装置的制造工艺期间的热处理或者使用磁内存装置期间生成的热量所导致的温度升高而使Mn扩散到非磁性金属层中。因此，磁内存装置具有好的耐热性并能防止磁阻变化的减少。

由此，根据本发明的一个方案，能够实现具有较高磁场检测灵敏度的高输出磁阻元件以及使用该磁阻元件的磁头和磁存储装置。

本发明并不限于具体公开的实施例，在不脱离本发明范围的条件下可进行各种变化和改型。

例如，在第三实施例中，描述了盘式(disk)磁记录介质的情况。但是，本发明也可应用于包含带式(tape)磁记录介质的磁带。此外，上述说明中采用示例的方式描述了包含一磁阻元件和一记录元件的磁头。但是本发明也可应用于仅包含磁阻元件的磁头以及包含多个磁阻元件的磁头。

Claims

1.一种CPP型磁阻元件，包括：

叠置的固定磁化层、非磁性金属层和自由磁化层；以及

防扩散层；

其中：

该自由磁化层包含CoMnAl；

该防扩散层设置在该非磁性金属层与该自由磁化层之间，以防止该自由磁化层内含有的Mn扩散到该非磁性金属层；以及

所述CoMnAl具有在三元成分图中通过用直线依次连接第一点(44，23，33)、第二点(48，25，27)、第三点(60，20，20)、第四点(65，15，20)、第五点(65，10，25)、第六点(60，10，30)以及该第一点构成的区域内的成分，在该三元成分图中，将成分坐标表示为(Co含量，Mn含量，Al含量)，且所述Co含量、Mn含量和Al含量均以原子百分比来表示。

2.如权利要求1所述的磁阻元件，其中该防扩散层由铁磁材料形成，该铁磁材料包含选自Co、Fe和Ni构成的组中的至少一种元素且该铁磁材料不包含Mn。

3.如权利要求1所述的磁阻元件，还包括：

在该自由磁化层上依次叠置的附加防扩散层和保护膜；

其中该附加防扩散层由铁磁材料形成，该铁磁材料包含选自Co、Fe和Ni构成的组中的至少一种元素且该铁磁材料不包含Mn。

4.如权利要求1所述的磁阻元件，还包括：

在该自由磁化层上叠置的第一附加防扩散层、附加非磁性金属层和附加固定磁化层。

5.如权利要求4所述的磁阻元件，其中：

该附加固定磁化层包括依次叠置的第二固定磁化层、非磁性耦合层和第一固定磁化层；

在该第二固定磁化层与该附加非磁性金属层之间设置有第二附加防扩散层；以及

该第二固定磁化层包含CoMnZ，其中Z是选自Al、Si、Ga、Ge、Cu、Mg、V、Cr、In、Sn、B和Ni构成的组中的至少一种元素。

6.如权利要求5所述的磁阻元件，还包括：

设置在该第二固定磁化层与该非磁性耦合层之间的第三附加防扩散层。

7.如权利要求1所述的磁阻元件，其中：

该固定磁化层包括依次叠置的第一固定磁化层、非磁性耦合层和第二固定磁化层；

在该第二固定磁化层与该非磁性金属层之间设置有第一附加防扩散层；以及

该第二固定磁化层包括CoMnZ，其中Z是选自Al、Si、Ga、Ge、Cu、Mg、V、Cr、In、Sn、B和Ni构成的组中的至少一种元素。

8.如权利要求7所述的磁阻元件，还包括：

设置在该非磁性耦合层与该第二固定磁化层之间的第二附加防扩散层。

9.一种CPP型磁阻元件，包括：

叠置的固定磁化层、非磁性绝缘层和自由磁化层；

其中：

该自由磁化层包含CoMnAl；以及

所述CoMnAl具有在三元成分图中通过用直线依次连接第一点(44，23，33)、第二点(48，25，27)、第三点(60，20，20)、第四点(65，15，20)、第五点(65，10，25)、第六点(60，10，30)以及该第一点构成的区域内的成分，在该三元成分图中，将成分坐标表示为(Co含量，Mn含量，Al含量)，且所述Co含量、Mn含量、Al含量均以原子百分比来表示。

10.如权利要求9所述的磁阻元件，还包括：

设置在该非磁性绝缘层与该自由磁化层之间的第一防扩散层；以及

在该自由磁化层上依次叠置的第二附加防扩散层和保护膜；

其中该第一防扩散层包括铁磁材料，该铁磁材料包含选自Co、Fe和Ni构成的组中的至少一种元素且该铁磁材料不包含Mn；以及

该第二附加防扩散层包括铁磁材料，该铁磁材料包含选自Co、Fe和Ni构成的组中的至少一种元素且该铁磁材料不包含Mn。

11.一种磁头，包括：

如权利要求1所述的磁阻元件。

12.一种磁头，包括：

如权利要求9所述的磁阻元件。

13.一种磁存储装置，包括：

磁头，其包括如权利要求1所述的磁阻元件；以及

磁记录介质。

14.一种磁存储装置，包括：

磁头，其包括如权利要求9所述的磁阻元件；以及

磁记录介质。

15.一种磁内存装置，包括：

CPP型磁阻膜，该CPP型磁阻膜包括防扩散层以及叠置的固定磁化层、非磁性金属层和自由磁化层；

写入部，该写入部构造为通过向该磁阻膜施加磁场来将该自由磁化层的磁化定向于预定方向；以及

读出部，该读出部构造为通过向该磁阻膜供应感应电流来检测电阻；

其中：

该自由磁化层包含CoMnAl；

16.如权利要求15所述的磁内存装置，其中该写入部按如下方式控制该自由磁化层的磁化方向，即沿该自由磁化层的磁结晶易轴方向、基本平行于该磁阻膜的膜表面来施加第一磁场，并沿基本平行于该膜表面且与该第一磁场成预定角度的方向来施加第二磁场。

17.如权利要求15所述的磁内存装置，其中该写入部通过向该磁阻元件供应自旋极化电子流来控制该自由磁化层的磁化方向。

18.一种磁内存装置，包括：

CPP型磁阻膜，该CPP型磁阻膜包括叠置的固定磁化层、非磁性绝缘层和自由磁化层；

其中：

该自由磁化层包含CoMnAl；以及

所述CoMnAl具有在三元成分图中通过用直线依次连接第一点(44，23，33)、第二点(48，25，27)、第三点(60，20，20)、第四点(65，15，20)、第五点(65，10，25)、第六点(60，10，30)以及第一点构成的区域内的成分，在该三元成分图中，将成分坐标表示为(Co含量，Mn含量，Al含量)，且所述Co含量、Mn含量、Al含量均以原子百分比来表示。

19.如权利要求18所述的磁内存装置，其中该写入部按如下方式控制该自由磁化层的磁化方向，即沿该自由磁化层的磁结晶易轴方向、基本平行于该磁阻膜的膜表面来施加第一磁场，并沿基本平行于该膜表面且与该第一磁场成预定角度的方向来施加第二磁场。

20.如权利要求18所述的磁内存装置，其中该写入部通过向该磁阻元件供应自旋极化电子流来控制该自由磁化层的磁化方向。