JP3603062B2 - Magnetoresistive element, method of manufacturing the same, and magnetic device using the same - Google Patents

Magnetoresistive element, method of manufacturing the same, and magnetic device using the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子(以下、「MR素子」と記す)とその製造方法に関する。本発明は、さらに、MR素子を用いた磁気デバイス、例えば、磁気抵抗効果型ヘッド(以下、「MRヘッド」と記す)、磁気記録再生装置(例えばハードディスク装置)に関する。
【0002】
【従来の技術】
磁気記録の高密度化に対応するべく、GMR素子を用いた再生磁気ヘッドが開発された。また、更なる高密度化に対応するために、抵抗変化が大きく、抵抗自体も大幅に大きいTMR(Tunnel Magnetoresisance)素子も盛んに研究されている。TMR素子では、非磁性層として絶縁層が用いられ、この絶縁層を通過するトンネル電流が利用される。通常、GMR素子は膜面に平行に電流を流して使用されるが(CIP−GMR;Current in Plane−GMR)、TMR素子と同様、膜面に垂直に電流を流す素子(CPP−GMR;Current Perpendicular to the Plane−GMR)も提案されている。CPP−GMR素子は、Co/Cu、Co/Ag系等においては、CIP−GMR素子に比べ、MR比が5倍程度高くなる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
CPP−GMR素子では、非磁性層に金属層が用いられ、しかも膜面に垂直に電流が流れるため、デバイスに利用するには抵抗が低くなり過ぎる。素子を小型化すれば、CPP−GMR素子においても、ある程度の高抵抗化は実現できる。しかし、リソグラフィー技術を適用して小型化するだけでは、十分に高い抵抗を有するCPP−GMR素子が得られない。
【0004】
磁気記録の高密度化が進展するにつれて、記録媒体におけるトラック幅は小さくなる。このため、再生磁気ヘッドにおいても、媒体からの磁気を感知して情報を読み取る領域の幅(以下、「トラック対応幅」と記す)を狭小化する必要が生じる。例えば、100Gbit/inを越える程度の高密度磁気記録では、0.1μm以下のトラック対応幅が要求される。しかし、トラック幅の狭小化が進行するにつれ、リソグラフィー技術のみでは、技術の進歩を考慮に入れたとしても、いずれ対応できなくなることが予想される。
【0005】
本発明は、CPP−GMR素子の電気抵抗値を実用的な範囲にまで高くすることを目的とする。また、本発明は、トラック幅の狭小化に対応しうるMR素子を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、非磁性層と、この非磁性層を挟持する第1磁性層および第2磁性層とを含み、第1磁性層の磁化方向と第2磁性層の磁化方向との相対角度の変化に基づく電気抵抗の変化をセンシングするための電流を、各層の膜面に垂直に流すMR素子に改良を加えることとした。本発明のMR素子は、非磁性層の面積が1μm2以下であり、 前記第1または第2の磁性層の側面に、前記磁性層の構成材料の酸化膜、窒化膜または酸窒化膜を有していることを特徴とする。
【0007】
本発明のMR素子の製造方法は、上記MR素子を製造するに際し、非磁性層の面積が1μm以下となるように、第1磁性層、非磁性層および第2磁性層を形成する工程と、第1磁性層、非磁性層および第2磁性層から選ばれる少なくとも1層の側面から、上記少なくとも1層の一部を酸化、窒化または酸窒化する工程を含むことを特徴とする。
【0008】
本発明をCPP−GMR素子に適用すると、抵抗を十分に高くした素子が得られる。また、この素子を用いる磁気ヘッドのトラック対応幅を制限することもできる。本発明は、TMR素子を用いる磁気ヘッドのトラック対応幅の狭小化にも有効である。本発明は、さらに、上記MR素子を用いた磁気ヘッド(MRヘッド)およびこの磁気ヘッドを用いた磁気記録再生装置を提供する。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。
本発明によれば、酸化膜、窒化膜または酸窒化膜からなる第2領域により、抵抗値が上昇し、あるいはトラック対応幅が狭小化する。第2領域の面積は、非磁性層の面積の10%以上、特に40%以上とするとよい。第2領域は、非磁性層の面積が1μm以下である程度に小型化したMR素子を構成する少なくとも1つの層に形成される。本発明を非磁性層の面積が0.1μm以下、特に0.01μm以下である程度にさらに小型化したMR素子に適用すると、より良好な結果が得られる。
【0010】
本発明をCPP−GMR素子に適用する場合は、少なくとも非磁性層に、第1領域および第2領域を形成するとよい。この場合、非磁性層の第1領域は、金属膜、好ましくはCu、Ag、Au、Ir、Ru、RhおよびCrから選ばれる少なくとも1種を主成分とする膜である。なお、本明細書において、主成分とは、50重量%以上を占める成分をいう。
【0011】
第2領域は、第1領域を構成する金属の酸化膜、窒化膜または酸窒化膜である。この第2領域により、非磁性層の導電領域(第1領域)が制限されるため、素子の抵抗値が上昇する。単に素子を微細加工するのみでは、抵抗値の上昇には限界がある。例えば、100nm×100nmに加工した素子(0.01μmの素子面積)では、素子の膜厚を50nm、比抵抗を30μΩcmとしたとしても、素子抵抗は1.5Ω程度である。一方、上記素子面積を有するCPP−GMR素子に本発明を適用すると、3Ω以上の素子抵抗を得ることも可能である。
【0012】
CPP−GMR素子における非磁性層の膜厚は、0.8nm〜10nm、特に1.8nm〜5nmが好適である。非磁性層が薄すぎると磁性層間の相互作用が強くなりすぎる。逆に非磁性層が厚すぎると大きなMR比が得られない。
【0013】
本発明をTMR素子に適用する場合は、少なくとも一方の磁性層、即ち第1磁性層または第2磁性層に、第1領域および第2領域を形成するとよい。この素子における非磁性層は、絶縁層(トンネル絶縁層)、好ましくは酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化マグネシウムおよびチタン酸ストロンチウムから選ばれる少なくとも1種を主成分とする層であるため、元来、十分に高い素子抵抗を有する。しかし、この素子においても、第2領域による導電領域の制限は、これを用いる磁気ヘッドのトラック対応幅の狭小化に有効である。少なくとも一方の磁性層を酸化等して第2領域を形成すると、絶縁層にトンネル電流を供給する領域が制限される。このため、素子として機能する部分、即ち媒体からの磁気を感知する領域が実質的に制限される。
【0014】
TMR素子における非磁性層の膜厚は、トンネル電流を流すために、0.4nm〜2nm、特に0.4nm〜1nmが好適である。
【0015】
本発明のMR素子は、第1磁性層および第2磁性層から選ばれる少なくとも1層に磁気的に結合する磁化回転制御層をさらに含んでいてもよい。磁化回転制御層は、この層が磁気的に結合する磁性層の磁化回転を容易または困難にする層であれば特に制限はないが、例えば反強磁性層を用いることができる。
【0016】
磁化回転制御層等を用いることにより、本発明の素子を、いわゆるスピンバルブ型のMR素子としてもよい。この素子では、例えば、反強磁性層との交換バイアス磁界により一方の磁性層(固定磁性層)の磁化回転を固定しながら、他方の磁性層(自由磁性層)の磁化を外部磁界により回転させて抵抗の変化を検出する。
【0017】
第2領域は、例えば、層の側面に、酸素および/または窒素を導入することにより形成できる。この工程は、層を100℃以上に加熱した状態で、酸素原子および窒素原子から選ばれる少なくとも1種を含有する気体を、上記層の側面に導入して行うとよい。また、酸素イオンおよび窒素イオンから選ばれる少なくとも1種を層の側面に注入して実施してもよい。イオン注入の方法自体に制限はなく、公知の方法を適用すれば足りる。
【0018】
酸化等の工程では、電極、特に非磁性層よりも前に形成した電極の酸化等が問題になることがある。この場合は、予め形成した電極の少なくとも一部を覆う保護膜を、好ましくは酸化等すべき側面を覆わない程度に形成してから、上記酸化等を行えばよい。
【0019】
酸化等の工程は、CPP−GMR素子については、少なくとも非磁性層の側面に対して行うとよい。一方、TMR素子では、第1磁性層および/または第2磁性層に対して行われる。いずれの素子においても、素子の動作に支障を来さない限り、酸化、窒化または酸窒化する層に制限はなく、第1および第2磁性層、非磁性層のすべての層を酸化等しても構わない。なお、酸化、窒化または酸窒化のいずれを適用してもよいが、高い抵抗値を得るためには酸化が好適である。
【0020】
以下、図面を参照して、本発明を適用したMR素子の一例について説明する。図1に示したMR素子100では、基板1上に、下部電極2、MR素子部10、上部電極3,4がこの順に積層されている。また、両電極間には絶縁膜5が介在している。MR素子部10の周縁部は酸化され、酸化領域(酸化膜)20となっている。図示したように、電極としての機能が維持される限り、電極2,3の一部2a,3aにまで酸化領域が広がっていても構わない。
【0021】
図2に拡大して示すように、このMR素子部10は、基板側から、自由磁性層6、非磁性層7、固定磁性層8、反強磁性層9がこの順に積層されている。これら各層は、側面から酸化を受けているため、各層の膜面に垂直に流れる電流は、酸化領域20ではなく、実質的には中央の非酸化領域30を通過する。なお、TMR素子では、磁性層が元来絶縁層であるが、磁性層6,8が酸化されているため、トンネル電流はやはり非酸化領域30を通過することになる。
【0022】
このMR素子は、図3に示した多層膜の側面を酸化して形成することができる。酸化により、素子として動作する部分の面積は、面積Sから面積Sにまで低下している。素子として動作する領域は、厳密には、非磁性層と磁性層との界面において定められる。上記のように、本発明の好ましい形態では、予めリソグラフィー技術により、非磁性層の面積Sを0.01μm以下に制限し、さらに酸化等によってこの面積をSにまで低下させる。面積Sに対する面積(S−S)の好ましい比率((S−S)/S)は、0.1以上、特に0.4以上である。
【0023】
以下、各層の材料等を例示する。自由磁性層6には、良好な軟磁気特性を得るために、Fe、Ni−Fe、Ni−Co−FeまたはCo−Fe合金が適している。Ni−Co−Feの組成(原子組成比;以下同様)は、NiCoFeにより表示して、0.6≦x≦0.9、0≦y≦0.4、0≦z≦0.3のNiリッチの組成、または0≦x≦0.4、0.2≦y≦0.95、0≦z≦0.5のCoリッチの組成が適している。これらの組成からなる膜は、磁気センサーやMRヘッド用として要求される低磁歪特性(磁歪定数:1×10−5以下)を有する。自由磁性層には、Co−Mn−B、Co−Fe−B、Co−Nb−Zr、Co−Nb−B等の組成を有するアモルファス膜を用いてもよい。
【0024】
自由磁性層6の膜厚は、1nm〜10nmとするとよい。膜厚が厚すぎるとMRに寄与しない抵抗が増加するためにMR比が低下するが、薄すぎると軟磁気特性が劣化する。
【0025】
CPP−GMR素子の非磁性層7には、非磁性金属材料が用いられる。TMR素子の非磁性層7には、絶縁材料が用いられる。好ましい材料および膜厚は、それぞれ上記に例示したとおりである。
【0026】
固定磁性層8の材料としては、自由磁性層の材料にもよるが、Fe、Co、Co−Fe合金(特にCo1−xFeにより表示して0<x≦0.5)、Co−Ni−Fe合金が適している。大きなMR比を得るためである。非磁性層としてCrを用いる場合には、Feが好ましい。この場合は、自由磁性層にもFeを用いるとよい。Co1−xFe合金は、非磁性膜としてCuを併用すると、スピンに依存した散乱が大きくなり、大きなMR比が得られる。
【0027】
固定磁性層8の膜厚は、薄すぎるとMR比が低下し、厚すぎると交換バイアス磁界が低下するため、1nm〜10nmとするとよい。
【0028】
反強磁性層9の材料としては、Fe−Mn、Ni−Mn、Pd−Mn、Pt−Mn、Ir−Mn、Cr−Al、Cr−Mn−Pt、Fe−Mn−Rh、Pd−Pt−Mn、Ru−Rh−Mn、Mn−RuおよびCr−Alから選ばれる少なくとも1種が好適である。耐食性や熱安定性の観点からは、Mn系反強磁性体、具体的にはNi−Mn、Ir−Mn、Pt−Mn、特にPt−Mnが優れている。PtMn1−zの組成としては、0.45≦z≦0.55の範囲がよい。反強磁性層の膜厚は、バイアス効果を大きくするために、5nm以上、特に10nm以上が好ましい。
【0029】
非磁性層としてCuを用いる場合には、強磁性膜(自由層6、固定層8)と非磁性層7との間の界面に、界面磁性層として、CoまたはCo−Fe合金を挿入することが好ましい。MR比がより大きくなるからである。界面磁性層の膜厚は、厚すぎるとMR比の磁界感度が低下するため、2nm以下、特に1nm以下とするとよく、薄すぎるとMR比が向上しないため、0.4nm以上とよい。
【0030】
固定磁性層8(ピン層)に与えるバイアス磁界を大きくする、換言すると固定層の磁化方向をより安定にするために、固定磁性層として、強磁性層/非磁性層/強磁性層の三層からなる間接交換結合膜を用いてもよい。間接交換結合膜では、強磁性層および非磁性層に適当な材料と膜厚とを選択すると、強磁性層間に大きな反強磁性的な結合が生じ、固定磁性層の磁化がより安定化する。
【0031】
間接交換結合膜を構成する強磁性層の適当な材料は、Co、Co−Fe、Co−Fe−Ni合金等であり、Co、Co−Fe合金が優れている。中間の非磁性層の材料としてはRu、Ir、Rh等が適当であり、Ruが優れている。強磁性層の膜厚は1nm〜4nmが好ましい。非磁性層の膜厚は、0.3nm〜1.2nm、特に0.4nm〜0.9nmが適当である。
【0032】
下部電極2、上部電極3,4としては、種々の非磁性金属材料、例えば、Au、Ag、Cu、Pt、Ta、Cr等を用いればよい。
【0033】
MR素子部10の構成は、図2、図3の例示に制限されない。例えば、非磁性層と磁性層とをさらに交互に重ねてもよい。この場合は、少なくとも一組の磁性層/非磁性層/磁性層が上記で説明した構成であればよい。
【0034】
次に、本発明のMR素子の製造方法の一例を図面を参照して説明する。
まず、図4に示すように、基板1上に、下部電極2、MR素子部10、上部電極3を順次積層する。次いで、図5に示すように、フォトレジスト41を塗布して露光し、イオンミリングして下部電極2を所定の形状とする。さらに、図6に示すように、再度フォトレジスト42を塗布して露光し、イオンミリングしてMR素子部10中の非磁性層の面積が1μm以下となるように成形する。なお、このイオンミリングは下部電極2の一部がミリングされるまで行うとよい。
【0035】
引き続き、図7に示すように、保護膜として、絶縁膜45を蒸着等により形成した後、酸素イオン43を注入する。素子10の側面が酸化されるように、酸素イオンは、膜面に対して斜め方向から行うとよい。必要に応じて、さらに真空中で加熱しながら酸素ガスを素子側面に導入してもよい。イオン注入により素子の側面はアモルファス化しているため、この側面に酸素を導入すると、酸化膜20が容易に形成される。
【0036】
酸化膜20の形成方法は、イオン注入に限らず、100℃以上に加熱した素子の側面に酸素ガスを導入することにより行ってもよい。また、本発明の目的が達成される限り、プラズマ酸化法、自然酸化法を用いても構わない。酸化膜に代えて窒化膜または酸窒化膜を形成してもよい。
【0037】
酸化の後、図8に示すように、蒸着等によりさらに絶縁膜5を形成する。図示したように、先に形成した保護用絶縁膜45を絶縁膜5の一部としてもよい。図9に示したように、余分な絶縁膜5をリフトオフしてから、追加の上部電極4を蒸着等により形成する。こうして、MR素子100が完成する。なお、上記各層の成膜は、従来から用いられてきた方法を用いればよく、例えば、MR素子部10の各層は、各種のスパッタリング法、蒸着法等を用いて成膜すればよい。
【0038】
図10に、上記MR素子100を用いたMRヘッドの一例を示す。図12に示したように、CIP−GMR素子を用いたMRヘッド220では、電極19a,19b間を、MR素子120の膜面に平行方向に電流が流れるが、図10のMRヘッド200では、MR素子100の膜面に垂直方向に電流が流れる。図11に示すように、素子の膜面に垂直に電流を流すMRヘッド210自体は、従来から知られていたが、図10のMRヘッドは、ヘッドのトラック対応幅Wが従来のトラック対応幅Wよりも狭小化している。トラック対応幅Wは、0.1μm以下、特に0.01〜0.1μmが好ましい。
【0039】
図12のMRヘッド220では、磁気シールド13,16との間の絶縁を確保するための絶縁領域17(通常、絶縁膜が用いられる)が必要となる。これに対し、図10の磁気ヘッドでは、上部磁気シールド13および下部磁気シールド16を電極として用いれば、電極2,3を省くことも可能である。このように、信号磁界以外の余分な磁界のMR素子への流入を抑制する磁気シールドを電極として利用すれば、記録の高密度化に伴う挟ギャップ化にも対応しやすい。
【0040】
これらの磁気ヘッドでは、再生ヘッドに接して、磁気シールドの一つを再生ヘッドと共有する記録ヘッドが配置されている。記録ヘッドは、記録磁極(上部シールド)12、共通シールド13、両シールドの間に介在する絶縁膜14、および巻き線11から構成されている。
【0041】
上部、共通、下部の各磁気シールド12,13,16には、Ni−Fe、Fe−Al−Si、Co−Nb−Zr合金等の軟磁性膜を用いればよい。絶縁膜14,15には、Al、AlN、SiO等が適している。
【0042】
なお、バルクハウゼンノイズの発生を抑制するために、磁気抵抗効果素子10の両側にCo−Pt等からなる強磁性バイアス層(図示せず)を設けてもよい。
【0043】
図13、図14は、それぞれ、上記MRヘッド200を用いたハードディスク装置300の平面図および側面図である。このハードディスク装置300は、MRヘッド(図示せず)を有するスライダ120と、スライダを支持するヘッド支持機構130と、ヘッド支持機構130を介してMRヘッドをトラッキングするアクチュエータ114と、ヘッドにより情報を記録/再生するための磁気ディスク116を回転駆動するディスク駆動モータ112とを備えている。ヘッド支持機構130には、アーム122とサスペンジョン124とが備えられている。
【0044】
ディスク駆動モータ112は、ディスク116を所定速度で回転させる。アクチュエータ114は、MRヘッドがディスクの所定のデータトラックにアクセスできるように、このヘッドを保持するスライダ120をディスク116の半径方向に移動させる。アクチュエータ114は、例えば直線式または回転式のボイスコイルモータである。スライダ120は、例えば空気ベアリングスライダである。この場合、スライダ120は、ハードディスク装置300の起動/停止動作時にはディスク116の表面と接触する。一方、情報の記録再生動作時には、スライダ120は、回転するディスク116とスライダ120との間に形成される空気ベアリングによりディスクの表面から浮上した状態となる。この状態で、MRヘッド200により、磁気ディスク116に情報が記録および/または再生される。
【0045】
【実施例】
(実施例1)
多元スパッタリング装置を用いてMR素子部を形成した。MR素子部は、自由層の両側に非磁性層を介して固定層を配置したいわゆるデュアルスピンバルブ構造とした。この素子の積層構成を、基板、電極とともに以下に示す。
【0046】
基板/Au(500)/Pt0.5Mn0.5(30)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Cu(3)/CoFe(2)/NiFe(5)/CoFe(2)/Cu(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Pt0.5Mn0.5(30)/Au(500)
ただし、カッコ内の数値は、膜厚である(単位:nm;以下、同様)。
【0047】
Cuは非磁性層であり、PtMnは反強磁性層であり、Auは電極である。なお、基板としては、表面を熱酸化したSiを用いた。
【0048】
こうして得たCPP−GMR素子部を、図4〜図9を参照して上記で説明した方法により、MR素子へと加工した。フォトレジストを用いたパターニングの大きさは100nm×100nmとした。なお、絶縁膜(図7,8における符合5、45)にはSiO膜を用いた。酸化膜20は、30keVの酸素イオンを膜面に対して約45度傾いた方向から打ち込んで形成した。酸素イオンの注入量は1×1015ions/cmとした。イオン注入により十分に酸化できない場合は、さらに真空中200〜300℃に加熱した状態で酸素ガスを導入してもよい。こうして、素子の片側の側面から酸化を行ったところ、非磁性層には、側面から45nmの深さまでCuの酸化膜が形成された。図示したように、酸化は、両面から行っても構わない。
【0049】
こうして得たMR素子(素子A)とともに、側面酸化工程を省いた以外は上記と同様にしてMR素子(素子B)を作製した。両素子の磁気抵抗特性を、室温で500Oe(約39.8kA/m)の磁界を印加し、4端子法を用いて評価した。側面を酸化した素子Aでは、抵抗が3Ω、抵抗変化が0.9Ω、MR比が30%であったのに対し、従来型の素子Bでは、抵抗が1.5Ω、抵抗変化が0.45Ω、MR比が30%であった。側面を酸化することにより、抵抗変化量が2倍になることが確認された。
【0050】
さらに、上記と同様にして、図10、図11に示したようなMRヘッド200,210を作製した。磁気シールドにはNi0.8Fe0.2合金を、絶縁膜にはAlをそれぞれ用いた。電極は磁気シールドで代用した。また、各層を形成するための基板としてAl−TiC基板を用いた。こうして得た両ヘッドに、センス電流として直流電流を流し、約4kA/mの交流信号磁界を印加して両ヘッドの出力を評価した。図10に対応するMRヘッドの出力は、図11に対応するMRヘッド出力の約2倍となった。
【0051】
(実施例2)
多元スパッタリング装置を用いてMR素子部を形成した。この素子の積層構成を、基板、電極とともに以下に示す。
【0052】
基板/Au(500)/Pt0.5Mn0.5(30)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al(0.8)/CoFe(2)/NiFe(5)/Au(500)
【0053】
なお、非磁性層Al膜は、成膜したAlを自然酸化法で酸化して形成した。こうして得たTMR素子部を、実施例1と同様にしてMR素子へと加工し、側面を酸化したMR素子(素子C)とともに、側面酸化工程を省いて作製したMR素子(素子D)を得た。
【0054】
両素子を透過電子顕微鏡を用いて観察したところ、素子Cでは、非磁性層を挟持する両磁性層が、側面から酸化されていた。非酸化領域の幅は約50nmであった。一方、素子Dでは、酸化領域が観察されず、素子として機能する領域の幅は約100nmのままであった。
【0055】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、膜面に垂直に電流が流れるMR素子において、電気抵抗を実用的な範囲にまで上昇させたり、リソグラフィー的な手法では困難な程度にまでトラック対応幅を狭小化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のMR素子の一例を示す断面図である。
【図2】図1の素子のMR素子部の拡大図である。
【図3】図2の素子部を形成するための多層膜の例を示す断面図である。
【図4】本発明の製造方法の一例における一工程(各層の積層工程)を説明するための断面図である。
【図5】図4の積層体を加工する工程を説明するための断面図である。
【図6】図5の積層体をさらに加工する工程を説明するための断面図である。
【図7】図6の積層体を部分的に酸化する工程を説明するための断面図である。
【図8】図7の積層体にさらに絶縁膜を形成する工程を説明するための断面図である。
【図9】図8の積層体にさらに追加の上部電極を形成する工程を説明するための断面図である。
【図10】本発明のMRヘッドの一例を示す部分斜視図である。
【図11】従来のMRヘッドの部分斜視図である。
【図12】CIP−GMR素子を用いた従来のMRヘッドの部分斜視図である。
【図13】本発明の磁気記録再生装置の一例を示す平面図である。
【図14】図13の磁気記録再生装置の断面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 下部電極
3,4 上部電極
5 絶縁膜
6 自由磁性層
7 非磁性層
8 固定磁性層
9 反強磁性層
10 MR素子部
20 酸化領域
30 非酸化領域
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetoresistance effect element (hereinafter, referred to as “MR element”) and a method for manufacturing the same. The present invention further relates to a magnetic device using an MR element, for example, a magnetoresistive head (hereinafter, referred to as “MR head”), and a magnetic recording / reproducing device (for example, a hard disk device).
[0002]
[Prior art]
In order to cope with higher density of magnetic recording, a reproducing magnetic head using a GMR element has been developed. Further, in order to cope with further densification, a TMR (Tunnel Magnetoresence) element having a large resistance change and a large resistance itself has been actively studied. In a TMR element, an insulating layer is used as a nonmagnetic layer, and a tunnel current passing through the insulating layer is used. Normally, the GMR element is used by passing a current parallel to the film surface (CIP-GMR; Current in Plane-GMR), but like the TMR element, a device that allows a current to flow perpendicular to the film surface (CPP-GMR: Current) Perpendicular to the Plane-GMR) has also been proposed. The CPP-GMR element has an MR ratio about five times higher than that of the CIP-GMR element in Co / Cu, Co / Ag and the like.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the CPP-GMR element, a metal layer is used for the non-magnetic layer, and a current flows perpendicularly to the film surface. Therefore, the resistance is too low for use in a device. If the element is miniaturized, a certain degree of high resistance can be realized even in the CPP-GMR element. However, simply applying the lithography technique to reduce the size does not provide a CPP-GMR element having a sufficiently high resistance.
[0004]
As the density of magnetic recording increases, the track width of a recording medium decreases. For this reason, in the read magnetic head, it is necessary to reduce the width of a region (hereinafter, referred to as a “track corresponding width”) in which information is read by sensing magnetism from the medium. For example, in high-density magnetic recording of about 100 Gbit / in 2 or more, a track width of 0.1 μm or less is required. However, as the track width becomes narrower, it is expected that the lithography technique alone will not be able to cope with it even if the technological progress is taken into account.
[0005]
An object of the present invention is to increase the electric resistance of a CPP-GMR element to a practical range. Another object of the present invention is to provide an MR element that can cope with a reduction in track width.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention includes a nonmagnetic layer, a first magnetic layer and a second magnetic layer sandwiching the nonmagnetic layer, wherein the magnetization direction of the first magnetic layer and the second magnetic layer An improvement has been made to the MR element in which a current for sensing a change in electric resistance based on a change in the angle relative to the magnetization direction flows perpendicularly to the film surface of each layer. The MR element of the present invention has an area of a nonmagnetic layer of 1 μm 2 or less, and has an oxide film, a nitride film or an oxynitride film of a constituent material of the magnetic layer on a side surface of the first or second magnetic layer. It is characterized by having.
[0007]
The method of manufacturing an MR element according to the present invention includes the steps of: forming a first magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second magnetic layer so that the area of the nonmagnetic layer is 1 μm 2 or less when manufacturing the MR element; A step of oxidizing, nitriding, or oxynitriding a part of the at least one layer from the side surface of at least one layer selected from a first magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second magnetic layer.
[0008]
When the present invention is applied to a CPP-GMR element, an element having sufficiently high resistance can be obtained. Further, it is also possible to limit the track width of the magnetic head using this element. The present invention is also effective for reducing the track width of a magnetic head using a TMR element. The present invention further provides a magnetic head (MR head) using the above MR element and a magnetic recording / reproducing apparatus using the magnetic head.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described.
According to the present invention, the second region made of the oxide film, the nitride film, or the oxynitride film increases the resistance value or narrows the track width. The area of the second region is preferably at least 10%, especially at least 40% of the area of the nonmagnetic layer. The second region is formed in at least one layer constituting an MR element whose non-magnetic layer has an area of 1 μm 2 or less and is reduced in size to some extent. If the present invention is applied to an MR element which has a nonmagnetic layer having an area of 0.1 μm 2 or less, particularly 0.01 μm 2 or less, and is further miniaturized to some extent, better results can be obtained.
[0010]
When the present invention is applied to a CPP-GMR element, the first region and the second region may be formed at least in the nonmagnetic layer. In this case, the first region of the nonmagnetic layer is a metal film, preferably a film mainly containing at least one selected from Cu, Ag, Au, Ir, Ru, Rh and Cr. In the present specification, the main component refers to a component occupying 50% by weight or more.
[0011]
The second region is an oxide film, a nitride film or an oxynitride film of the metal constituting the first region. Since the conductive region (first region) of the nonmagnetic layer is limited by the second region, the resistance value of the element increases. There is a limit to the increase in the resistance value simply by finely processing the element. For example, in an element processed to 100 nm × 100 nm (element area of 0.01 μm 2 ), the element resistance is about 1.5 Ω even if the element thickness is 50 nm and the specific resistance is 30 μΩcm. On the other hand, when the present invention is applied to a CPP-GMR element having the above element area, an element resistance of 3Ω or more can be obtained.
[0012]
The thickness of the nonmagnetic layer in the CPP-GMR element is preferably from 0.8 nm to 10 nm, particularly preferably from 1.8 nm to 5 nm. If the nonmagnetic layer is too thin, the interaction between the magnetic layers will be too strong. Conversely, if the nonmagnetic layer is too thick, a large MR ratio cannot be obtained.
[0013]
When the present invention is applied to a TMR element, the first region and the second region may be formed in at least one of the magnetic layers, that is, the first magnetic layer or the second magnetic layer. The nonmagnetic layer in this element is an insulating layer (tunnel insulating layer), preferably a layer mainly containing at least one selected from aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum oxynitride, magnesium oxide and strontium titanate. Originally, it has a sufficiently high element resistance. However, also in this element, the restriction of the conductive region by the second region is effective for reducing the track width of the magnetic head using the second region. When the second region is formed by oxidizing at least one of the magnetic layers, a region for supplying a tunnel current to the insulating layer is limited. Therefore, a portion functioning as an element, that is, a region for sensing magnetism from a medium is substantially limited.
[0014]
The thickness of the nonmagnetic layer in the TMR element is preferably from 0.4 nm to 2 nm, particularly preferably from 0.4 nm to 1 nm in order to allow a tunnel current to flow.
[0015]
The MR element of the present invention may further include a magnetization rotation control layer magnetically coupled to at least one layer selected from the first magnetic layer and the second magnetic layer. The magnetization rotation control layer is not particularly limited as long as this layer facilitates or makes the magnetization rotation of the magnetic layer magnetically coupled, but an antiferromagnetic layer can be used, for example.
[0016]
By using a magnetization rotation control layer or the like, the element of the present invention may be a so-called spin valve type MR element. In this element, for example, while the magnetization rotation of one magnetic layer (fixed magnetic layer) is fixed by the exchange bias magnetic field with the antiferromagnetic layer, the magnetization of the other magnetic layer (free magnetic layer) is rotated by an external magnetic field. To detect the change in resistance.
[0017]
The second region can be formed, for example, by introducing oxygen and / or nitrogen to the side surface of the layer. This step may be performed by introducing a gas containing at least one selected from oxygen atoms and nitrogen atoms to the side surface of the layer while the layer is heated to 100 ° C. or higher. Further, at least one selected from oxygen ions and nitrogen ions may be implanted into the side surface of the layer. There is no limitation on the method of ion implantation itself, and it is sufficient to apply a known method.
[0018]
In a process such as oxidation, oxidation of an electrode, particularly an electrode formed before a nonmagnetic layer, may be a problem. In this case, the oxidation or the like may be performed after forming a protective film covering at least a part of the electrode formed beforehand, preferably so as not to cover the side surface to be oxidized or the like.
[0019]
The step of oxidation or the like is preferably performed on at least the side surface of the nonmagnetic layer in the case of the CPP-GMR element. On the other hand, in the case of the TMR element, the operation is performed on the first magnetic layer and / or the second magnetic layer. In any device, there is no limitation on the layer to be oxidized, nitrided or oxynitrided as long as the operation of the device is not hindered, and all of the first and second magnetic layers and the non-magnetic layer are oxidized or the like. No problem. Note that any of oxidation, nitridation, and oxynitridation may be applied; however, oxidation is preferable to obtain a high resistance value.
[0020]
Hereinafter, an example of an MR element to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. In the MR element 100 shown in FIG. 1, a lower electrode 2, an MR element part 10, and upper electrodes 3 and 4 are laminated on a substrate 1 in this order. An insulating film 5 is interposed between the two electrodes. The periphery of the MR element section 10 is oxidized to form an oxidized region (oxide film) 20. As illustrated, the oxidized region may extend to a part 2a, 3a of the electrodes 2, 3 as long as the function as an electrode is maintained.
[0021]
As shown in an enlarged view in FIG. 2, the MR element section 10 has a free magnetic layer 6, a nonmagnetic layer 7, a fixed magnetic layer 8, and an antiferromagnetic layer 9 laminated in this order from the substrate side. Since each of these layers is oxidized from the side surface, a current flowing perpendicularly to the film surface of each layer passes not through the oxidized region 20 but substantially through the central non-oxidized region 30. In the TMR element, the magnetic layer is originally an insulating layer, but since the magnetic layers 6 and 8 are oxidized, the tunnel current also passes through the non-oxidized region 30.
[0022]
This MR element can be formed by oxidizing the side surfaces of the multilayer film shown in FIG. The area of the portion to be operated by oxidation, as an element is lowered from the area S 1 to the area S 2. Strictly speaking, the region that operates as an element is defined at the interface between the nonmagnetic layer and the magnetic layer. As described above, in a preferred embodiment of the present invention, by previously lithography limits the area S 1 of the non-magnetic layer to 0.01 [mu] m 2 or less, reducing the area until the S 2 by further oxidation. The preferred ratio of the area (S 1 -S 2) to the area S 1 ((S 1 -S 2 ) / S 1) is 0.1 or more, particularly 0.4 or more.
[0023]
Hereinafter, the material of each layer is illustrated. Fe, Ni—Fe, Ni—Co—Fe, or a Co—Fe alloy is suitable for the free magnetic layer 6 in order to obtain good soft magnetic properties. The composition of Ni—Co—Fe (atomic composition ratio; the same applies hereinafter) is represented by Ni x Co y Fe z , and 0.6 ≦ x ≦ 0.9, 0 ≦ y ≦ 0.4, 0 ≦ z ≦ A Ni-rich composition of 0.3 or a Co-rich composition of 0 ≦ x ≦ 0.4, 0.2 ≦ y ≦ 0.95, 0 ≦ z ≦ 0.5 is suitable. Films having these compositions have low magnetostriction characteristics (magnetostriction constant: 1 × 10 −5 or less) required for magnetic sensors and MR heads. For the free magnetic layer, an amorphous film having a composition such as Co-Mn-B, Co-Fe-B, Co-Nb-Zr, or Co-Nb-B may be used.
[0024]
The thickness of the free magnetic layer 6 is preferably 1 nm to 10 nm. If the film thickness is too thick, the resistance not contributing to the MR increases and the MR ratio decreases, but if too thin, the soft magnetic characteristics deteriorate.
[0025]
For the non-magnetic layer 7 of the CPP-GMR element, a non-magnetic metal material is used. An insulating material is used for the non-magnetic layer 7 of the TMR element. Preferred materials and film thicknesses are as exemplified above.
[0026]
The material of the fixed magnetic layer 8, depending on the material of the free magnetic layer, Fe, Co, (displayed in particular by Co 1-x Fe x 0 < x ≦ 0.5) Co-Fe alloy, Co- Ni-Fe alloys are suitable. This is for obtaining a large MR ratio. When Cr is used for the nonmagnetic layer, Fe is preferable. In this case, Fe may be used also for the free magnetic layer. When Cu is used in combination with the non-magnetic film, the Co 1-x Fe x alloy has a large spin-dependent scattering and a large MR ratio.
[0027]
If the thickness of the fixed magnetic layer 8 is too small, the MR ratio decreases. If the thickness is too large, the exchange bias magnetic field decreases.
[0028]
Examples of the material of the antiferromagnetic layer 9 include Fe-Mn, Ni-Mn, Pd-Mn, Pt-Mn, Ir-Mn, Cr-Al, Cr-Mn-Pt, Fe-Mn-Rh, and Pd-Pt-. At least one selected from Mn, Ru-Rh-Mn, Mn-Ru and Cr-Al is preferred. From the viewpoint of corrosion resistance and thermal stability, a Mn-based antiferromagnetic material, specifically, Ni-Mn, Ir-Mn, Pt-Mn, particularly Pt-Mn is excellent. The composition of Pt z Mn 1-z is preferably in the range of 0.45 ≦ z ≦ 0.55. The thickness of the antiferromagnetic layer is preferably 5 nm or more, particularly 10 nm or more in order to increase the bias effect.
[0029]
When Cu is used as the nonmagnetic layer, Co or a Co—Fe alloy is inserted as an interface magnetic layer at the interface between the ferromagnetic film (the free layer 6 and the fixed layer 8) and the nonmagnetic layer 7. Is preferred. This is because the MR ratio becomes larger. If the thickness of the interface magnetic layer is too large, the magnetic field sensitivity of the MR ratio is reduced. Therefore, the thickness is preferably 2 nm or less, particularly 1 nm or less. If the thickness is too small, the MR ratio does not improve.
[0030]
In order to increase the bias magnetic field applied to the pinned magnetic layer 8 (pinned layer), in other words, to stabilize the magnetization direction of the pinned layer, the pinned magnetic layer has three layers of a ferromagnetic layer / non-magnetic layer / ferromagnetic layer. May be used. In the indirect exchange coupling film, when an appropriate material and thickness are selected for the ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer, a large antiferromagnetic coupling occurs between the ferromagnetic layers, and the magnetization of the fixed magnetic layer is further stabilized.
[0031]
Suitable materials for the ferromagnetic layer constituting the indirect exchange coupling film include Co, Co-Fe, Co-Fe-Ni alloy and the like, and Co and Co-Fe alloy are excellent. Suitable materials for the intermediate nonmagnetic layer include Ru, Ir, Rh and the like, and Ru is excellent. The thickness of the ferromagnetic layer is preferably 1 nm to 4 nm. The suitable thickness of the nonmagnetic layer is 0.3 nm to 1.2 nm, particularly 0.4 nm to 0.9 nm.
[0032]
As the lower electrode 2 and the upper electrodes 3 and 4, various non-magnetic metal materials such as Au, Ag, Cu, Pt, Ta, and Cr may be used.
[0033]
The configuration of the MR element unit 10 is not limited to the examples shown in FIGS. For example, the nonmagnetic layer and the magnetic layer may be further alternately stacked. In this case, at least one set of the magnetic layer / nonmagnetic layer / magnetic layer may have the configuration described above.
[0034]
Next, an example of a method for manufacturing an MR element of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, as shown in FIG. 4, a lower electrode 2, an MR element portion 10, and an upper electrode 3 are sequentially stacked on a substrate 1. Next, as shown in FIG. 5, a photoresist 41 is applied and exposed, and ion milling is performed to form the lower electrode 2 into a predetermined shape. Further, as shown in FIG. 6, a photoresist 42 is applied again, exposed, ion-milled, and shaped so that the area of the non-magnetic layer in the MR element section 10 becomes 1 μm 2 or less. This ion milling is preferably performed until part of the lower electrode 2 is milled.
[0035]
Subsequently, as shown in FIG. 7, after forming an insulating film 45 as a protective film by vapor deposition or the like, oxygen ions 43 are implanted. Oxygen ions are preferably applied obliquely to the film surface so that the side surfaces of the element 10 are oxidized. If necessary, oxygen gas may be introduced into the side surface of the element while heating in vacuum. Since the side surface of the element is made amorphous by ion implantation, when oxygen is introduced into this side surface, the oxide film 20 is easily formed.
[0036]
The method of forming the oxide film 20 is not limited to ion implantation, and may be performed by introducing oxygen gas to the side surface of the element heated to 100 ° C. or higher. Further, as long as the object of the present invention is achieved, a plasma oxidation method or a natural oxidation method may be used. A nitride film or an oxynitride film may be formed instead of the oxide film.
[0037]
After the oxidation, as shown in FIG. 8, an insulating film 5 is further formed by vapor deposition or the like. As illustrated, the protective insulating film 45 formed earlier may be a part of the insulating film 5. As shown in FIG. 9, after the excess insulating film 5 is lifted off, an additional upper electrode 4 is formed by vapor deposition or the like. Thus, the MR element 100 is completed. The layers may be formed by a conventionally used method. For example, the layers of the MR element unit 10 may be formed by various sputtering methods, vapor deposition methods, or the like.
[0038]
FIG. 10 shows an example of an MR head using the MR element 100. As shown in FIG. 12, in the MR head 220 using the CIP-GMR element, a current flows between the electrodes 19a and 19b in a direction parallel to the film surface of the MR element 120, but in the MR head 200 in FIG. A current flows in the direction perpendicular to the film surface of the MR element 100. As shown in FIG. 11, the MR head 210 itself to flow current perpendicular to the film surface of the element, has been known conventionally, the MR head of FIG. 10, the track corresponding width W 1 of the head is conventional track corresponding It is narrowed than the width W 2. Track corresponding width W 1 is, 0.1 [mu] m or less, particularly 0.01~0.1μm is preferred.
[0039]
The MR head 220 shown in FIG. 12 requires an insulating region 17 (usually an insulating film is used) for securing insulation between the magnetic shields 13 and 16. On the other hand, in the magnetic head of FIG. 10, if the upper magnetic shield 13 and the lower magnetic shield 16 are used as electrodes, the electrodes 2 and 3 can be omitted. As described above, if a magnetic shield that suppresses the flow of an extra magnetic field other than the signal magnetic field into the MR element is used as an electrode, it is easy to cope with a narrow gap accompanying high-density recording.
[0040]
In these magnetic heads, a recording head that shares one of the magnetic shields with the reproducing head is arranged in contact with the reproducing head. The recording head includes a recording magnetic pole (upper shield) 12, a common shield 13, an insulating film 14 interposed between the shields, and a winding 11.
[0041]
For the upper, common, and lower magnetic shields 12, 13, and 16, a soft magnetic film such as a Ni-Fe, Fe-Al-Si, or Co-Nb-Zr alloy may be used. Al 2 O 3 , AlN, SiO 2 or the like is suitable for the insulating films 14 and 15.
[0042]
Note that a ferromagnetic bias layer (not shown) made of Co-Pt or the like may be provided on both sides of the magnetoresistive effect element 10 in order to suppress the occurrence of Barkhausen noise.
[0043]
FIGS. 13 and 14 are a plan view and a side view of a hard disk drive 300 using the MR head 200, respectively. The hard disk drive 300 has a slider 120 having an MR head (not shown), a head support mechanism 130 supporting the slider, an actuator 114 tracking the MR head via the head support mechanism 130, and recording information by the head. And a disk drive motor 112 for rotating a magnetic disk 116 for reproduction / reproduction. The head support mechanism 130 includes an arm 122 and a suspension 124.
[0044]
The disk drive motor 112 rotates the disk 116 at a predetermined speed. The actuator 114 moves a slider 120 holding the MR head in a radial direction of the disk 116 so that the MR head can access a predetermined data track of the disk. The actuator 114 is, for example, a linear or rotary voice coil motor. The slider 120 is, for example, an air bearing slider. In this case, the slider 120 comes into contact with the surface of the disk 116 when the hard disk device 300 starts / stops. On the other hand, during the information recording / reproducing operation, the slider 120 floats above the surface of the disk by the air bearing formed between the rotating disk 116 and the slider 120. In this state, information is recorded and / or reproduced on the magnetic disk 116 by the MR head 200.
[0045]
【Example】
(Example 1)
An MR element was formed using a multi-source sputtering apparatus. The MR element portion has a so-called dual spin valve structure in which fixed layers are arranged on both sides of a free layer via a nonmagnetic layer. The laminated structure of this element is shown below together with the substrate and the electrodes.
[0046]
Substrate / Au (500) / Pt 0.5 Mn 0.5 (30) / CoFe (3) / Ru (0.7) / CoFe (3) / Cu (3) / CoFe (2) / NiFe (5) /CoFe(2)/Cu(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Pt 0.5 Mn 0.5 (30) / Au (500)
However, the numerical value in parentheses is the film thickness (unit: nm; the same applies hereinafter).
[0047]
Cu is a nonmagnetic layer, PtMn is an antiferromagnetic layer, and Au is an electrode. Note that Si whose surface was thermally oxidized was used as the substrate.
[0048]
The CPP-GMR element portion thus obtained was processed into an MR element by the method described above with reference to FIGS. The size of the patterning using the photoresist was 100 nm × 100 nm. Note that an SiO 2 film was used for the insulating film (reference numerals 5 and 45 in FIGS. 7 and 8). The oxide film 20 was formed by implanting 30 keV oxygen ions from a direction inclined at about 45 degrees with respect to the film surface. The implantation amount of oxygen ions was 1 × 10 15 ions / cm 2 . When oxidation cannot be sufficiently performed by ion implantation, oxygen gas may be further introduced while being heated to 200 to 300 ° C. in vacuum. Thus, when oxidation was performed from one side surface of the element, a Cu oxide film was formed on the nonmagnetic layer to a depth of 45 nm from the side surface. As shown, the oxidation may be performed from both sides.
[0049]
Along with the thus obtained MR element (element A), an MR element (element B) was produced in the same manner as above except that the side surface oxidation step was omitted. The magnetoresistance characteristics of both devices were evaluated by applying a magnetic field of 500 Oe (about 39.8 kA / m) at room temperature and using a four-terminal method. The element A having the oxidized side surface had a resistance of 3Ω, a resistance change of 0.9Ω, and an MR ratio of 30%, whereas the conventional element B had a resistance of 1.5Ω and a resistance change of 0.45Ω. , MR ratio was 30%. It was confirmed that the resistance change amount was doubled by oxidizing the side surface.
[0050]
Further, MR heads 200 and 210 as shown in FIGS. 10 and 11 were manufactured in the same manner as above. Ni 0.8 Fe 0.2 alloy was used for the magnetic shield, and Al 2 O 3 was used for the insulating film. The electrodes were replaced by magnetic shields. An Al 2 O 3 —TiC substrate was used as a substrate for forming each layer. A DC current was passed as a sense current to both heads thus obtained, and an AC signal magnetic field of about 4 kA / m was applied to evaluate the output of both heads. The output of the MR head corresponding to FIG. 10 was about twice the output of the MR head corresponding to FIG.
[0051]
(Example 2)
An MR element was formed using a multi-source sputtering apparatus. The laminated structure of this element is shown below together with the substrate and the electrodes.
[0052]
Substrate / Au (500) / Pt 0.5 Mn 0.5 (30) / CoFe (3) / Ru (0.7) / CoFe (3) / Al 2 O 3 (0.8) / CoFe (2) / NiFe (5) / Au (500)
[0053]
Note that the nonmagnetic layer Al 2 O 3 film was formed by oxidizing the formed Al by a natural oxidation method. The TMR element portion thus obtained was processed into an MR element in the same manner as in Example 1 to obtain an MR element (element C) whose side surface was oxidized and an MR element (element D) manufactured without the side surface oxidation step. Was.
[0054]
When both elements were observed using a transmission electron microscope, in the element C, both magnetic layers sandwiching the nonmagnetic layer were oxidized from the side. The width of the non-oxidized region was about 50 nm. On the other hand, in the device D, no oxidized region was observed, and the width of the region functioning as the device remained at about 100 nm.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the MR element in which a current flows perpendicularly to the film surface, the electric resistance is increased to a practical range, or the track width is increased to a level that is difficult with a lithographic technique. Can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an example of an MR element of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of an MR element part of the element of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a multilayer film for forming the element section of FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining one step (lamination step of each layer) in an example of the manufacturing method of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a step of processing the laminate of FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a step of further processing the laminate of FIG. 5;
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a step of partially oxidizing the laminate of FIG. 6;
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a step of further forming an insulating film on the laminate of FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a step of forming an additional upper electrode on the laminate of FIG. 8;
FIG. 10 is a partial perspective view showing an example of the MR head of the present invention.
FIG. 11 is a partial perspective view of a conventional MR head.
FIG. 12 is a partial perspective view of a conventional MR head using a CIP-GMR element.
FIG. 13 is a plan view showing an example of the magnetic recording / reproducing apparatus of the present invention.
14 is a sectional view of the magnetic recording / reproducing apparatus of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Lower electrode 3, 4 Upper electrode 5 Insulating film 6 Free magnetic layer 7 Nonmagnetic layer 8 Fixed magnetic layer 9 Antiferromagnetic layer 10 MR element part 20 Oxidized area 30 Non-oxidized area

Claims (19)

非磁性層と、前記非磁性層を挟持する第1磁性層および第2磁性層とを含み、前記第1磁性層の磁化方向と前記第2磁性層の磁化方向との相対角度の変化に基づく電気抵抗の変化をセンシングするための電流を、前記各層の膜面に垂直な方向に流す磁気抵抗効果素子であって、
前記非磁性層の面積は、1μm2以下であり、
前記第1または第2の磁性層の側面に、前記磁性層の構成材料の酸化膜、窒化膜または酸窒化膜を有している磁気抵抗効果素子。
A non-magnetic layer, and a first magnetic layer and a second magnetic layer sandwiching the non-magnetic layer, based on a change in a relative angle between a magnetization direction of the first magnetic layer and a magnetization direction of the second magnetic layer. A magnetoresistive element that allows a current for sensing a change in electrical resistance to flow in a direction perpendicular to the film surface of each of the layers,
The area of the nonmagnetic layer is 1 μm 2 or less,
A magnetoresistive element having an oxide film, a nitride film, or an oxynitride film of a constituent material of the magnetic layer on a side surface of the first or second magnetic layer.
前記酸化膜、窒化膜または酸窒化膜の面積が、前記磁性層と前記酸化膜、窒化膜または酸窒化膜と前記磁性層の面積の和の10%以上を占める請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。2. The magnetoresistive device according to claim 1, wherein the area of the oxide film, the nitride film, or the oxynitride film occupies at least 10% of the total area of the magnetic layer, the oxide film, the nitride film or the oxynitride film, and the magnetic layer. Effect element. 非磁性層の面積が、0.1μm2以下である請求項1または2に記載の磁気抵抗効果素子。3. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the area of the nonmagnetic layer is 0.1 μm 2 or less. 非磁性層が絶縁層である請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。The magnetoresistance effect element according to claim 1, wherein the nonmagnetic layer is an insulating layer. 非磁性層が、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化マグネシウムおよびチタン酸ストロンチウムから選ばれる少なくとも1種を主成分とする請求項1または4に記載の磁気抵抗効果素子。5. The magnetoresistance effect element according to claim 1, wherein the nonmagnetic layer contains at least one selected from aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum oxynitride, magnesium oxide and strontium titanate as a main component. 非磁性層の膜厚が、0.4nm以上2nm以下である請求項1または5に記載の磁気抵抗効果素子。6. The magnetoresistive element according to claim 1 , wherein the thickness of the nonmagnetic layer is 0.4 nm or more and 2 nm or less. 第1磁性層および第2磁性層から選ばれる少なくとも1層に磁気的に結合する磁化回転制御層をさらに含む請求項1〜6のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。7. The magnetoresistive element according to claim 1, further comprising a magnetization rotation control layer magnetically coupled to at least one layer selected from a first magnetic layer and a second magnetic layer. 磁化回転制御層が、反強磁性層である請求項7に記載の磁気抵抗効果素子。The magnetoresistance effect element according to claim 7, wherein the magnetization rotation control layer is an antiferromagnetic layer. 非磁性層と、前記非磁性層を挟持する第1磁性層および第2磁性層とを含み、前記第1磁性層の磁化方向と前記第2磁性層の磁化方向との相対角度の変化に基づく電気抵抗の変化をセンシングするための電流を、前記各層の膜面に垂直に流す磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記非磁性層の面積が1μm2以下となるように、前記第1磁性層、前記非磁性層および前記第2磁性層を形成する工程と、
前記第1磁性層、前記非磁性層および前記第2磁性層から選ばれる少なくとも1層の側面から、前記少なくとも1層の一部を酸化、窒化または酸窒化する工程とを含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
A non-magnetic layer, and a first magnetic layer and a second magnetic layer sandwiching the non-magnetic layer, based on a change in a relative angle between a magnetization direction of the first magnetic layer and a magnetization direction of the second magnetic layer. A method for manufacturing a magnetoresistive element, in which a current for sensing a change in electric resistance is caused to flow perpendicular to a film surface of each of the layers,
Forming the first magnetic layer, the nonmagnetic layer, and the second magnetic layer such that the area of the nonmagnetic layer is 1 μm 2 or less;
Oxidizing, nitriding, or oxynitriding a part of the at least one layer from a side surface of at least one layer selected from the first magnetic layer, the nonmagnetic layer, and the second magnetic layer. A method for manufacturing a magnetoresistive element.
層を100℃以上に加熱した状態で、酸素原子および窒素原子から選ばれる少なくとも1種を含有する気体を層の側面に導入することにより、酸化、窒化または酸窒化する請求項9に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。10. The magnet according to claim 9, wherein the layer is oxidized, nitrided or oxynitrided by introducing a gas containing at least one selected from oxygen atoms and nitrogen atoms to a side surface of the layer while the layer is heated to 100 ° C or higher. A method for manufacturing a resistance effect element. 酸素イオンおよび窒素イオンから選ばれる少なくとも1種を層の側面に注入することにより、酸化、窒化または酸窒化する請求項9に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。The method for manufacturing a magnetoresistive element according to claim 9, wherein oxidation, nitridation, or oxynitridation is performed by injecting at least one selected from oxygen ions and nitrogen ions into the side surfaces of the layer. 電流を流すための電極を形成する工程と、前記電極の少なくとも一部を覆う保護膜を形成する工程とをさらに含み、前記保護膜を形成した後に、層の一部を酸化、窒化または酸窒化する請求項9〜11のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。Forming an electrode for passing an electric current, and forming a protective film covering at least a part of the electrode, and after forming the protective film, oxidizing, nitriding or oxynitriding a part of the layer; A method for manufacturing a magnetoresistive element according to any one of claims 9 to 11 . 非磁性層として、Cu、Ag、Au、Ir、Ru、RhおよびCrから選ばれる少なくとも1種を主成分とする層を形成する請求項9〜12のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。The manufacturing of the magnetoresistive element according to any one of claims 9 to 12, wherein a layer mainly composed of at least one selected from Cu, Ag, Au, Ir, Ru, Rh and Cr is formed as the nonmagnetic layer. Method. 少なくとも非磁性層の側面を、酸化、窒化または酸窒化する請求項13に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。14. The method for manufacturing a magnetoresistive element according to claim 13, wherein at least a side surface of the nonmagnetic layer is oxidized, nitrided, or oxynitrided. 非磁性層として、絶縁層を形成する請求項9〜14のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。The method according to claim 9, wherein an insulating layer is formed as the nonmagnetic layer. 少なくとも第1磁性層または第2磁性層の側面を、酸化、窒化または酸窒化する請求項15に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。The method according to claim 15, wherein at least a side surface of the first magnetic layer or the second magnetic layer is oxidized, nitrided, or oxynitrided. 請求項1〜8のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子を挟むように配置された一対の磁気シールドとを有することを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。A magnetoresistive head comprising: the magnetoresistive element according to claim 1; and a pair of magnetic shields arranged so as to sandwich the magnetoresistive element. トラック対応幅が0.1μm以下である請求項17に記載の磁気抵抗効果型ヘッド。The magnetoresistive head according to claim 17, wherein a track corresponding width is 0.1 μm or less. 請求項17または18に記載の磁気抵抗効果型ヘッドと、前記ヘッドにより情報を記録再生するための磁気記録媒体とを有することを特徴とする磁気記録再生装置。19. A magnetic recording / reproducing apparatus comprising: the magnetoresistive head according to claim 17; and a magnetic recording medium for recording / reproducing information with the head.
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