專利名稱：沉積有氧化物磁性層和金屬磁性膜的磁阻元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及磁記錄/再現(xiàn)，特別是適合于高記錄密度磁記錄/再現(xiàn)裝置的磁頭和用于它的磁阻元件，以及它的制造方法。
背景技術(shù)：
在JP-A-No.16929/1997中公開了用多層逆平行釘扎層和反鐵磁性交換層的自旋閥磁阻傳感器。在JP-A-169026/1995中公開了用反鐵磁性耦合膜的自旋閥傳感器。在JP-A-156530/2000中公開了有第二磁性層的磁阻元件，第二磁性層包含一個由任何材料如氧化物制的第三層，其上的磁化強(qiáng)度大體上是固定的。
日本磁學(xué)會出版的第23屆學(xué)術(shù)講演(6aA-5)摘要中描述了有包含一超薄氧化層的磁化釘扎層的自旋閥膜。在Intemag2000，F(xiàn)A-08的文摘中描述了也用薄氧化層的巨磁阻(GMR)膜。在Intermag2000，F(xiàn)A-07的文摘中描述了有在自由層上沉積了保護(hù)氧化層的GMR膜。Inermag2000，BQ-12的文摘中描述了有在自由層上沉積了保護(hù)氧化層的GMR膜。Intermag2000，F(xiàn)A-09的文摘中描述了采用磁氧化層的自旋閥膜。Inermagl999，DB-01的文摘中描述了具有嵌有氧化層的釘扎層的自旋閥膜。
在JP-A-340859/2000中公開了磁阻型磁頭，它用磁性層中的高度自旋極化的氧化物材料來提供垂直于薄膜表面的電流。在P-A-150985/2000中公開了用高極化率膜的隧道磁阻元件。在No.3050189(JP-A-135857/1999)專利中公開了在隧道屏蔽層一側(cè)用高極化率膜的磁阻元件。在JP-A-289115/1999中公開了一種自旋極化元件，該自旋極化元件通過非磁性層與一種鐵磁材料和半導(dǎo)體或一種半金屬材料相連結(jié)。
在《Applied Physics Letters》[vo1.73，1008(1998)]中有用LaSrMn03作半金屬材料的鐵磁隧道磁阻元件的描述。在《Applied Physics Letters》[vol.74，4017(1999)]中描述了用氧化鐵和鈷材料得到的鐵磁隧道磁阻元件。
在JP-A-97766/1999中公開了用半金屬氧化層的鐵磁隧道磁阻元件。在JP-C-504303/1996中公開了一種用半金屬材料如Fe3O4的磁阻裝置。在JP-A-267742/1994中公開了采用由半金屬材料制的磁性層的磁阻元件。在JA-348935/2000中公開了一種包含薄氧化層的自旋閥傳感器。
在相關(guān)領(lǐng)域，更把磁阻元件成功的放置在磁記錄裝置的讀出部分是不可能的，所述磁阻元件作用于有足夠的靈敏度和輸出功率的外部磁場且可提供具有完美對稱性的良好特性。這就使得其不能夠?qū)崿F(xiàn)對此具有相當(dāng)高記錄密度的設(shè)備而言必不可少的功能。
巨磁阻對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是很熟悉的，它是借助由其上沉積有非磁性金屬層的鐵磁金屬層構(gòu)成的多層膜得到的。對于這種磁阻，電阻既隨由非磁性層隔離的鐵磁層上形成的磁化強(qiáng)度變化又隨磁化的取向變化。于是提出了自旋結(jié)構(gòu)，這樣所說的巨磁阻就可被用于磁阻元件。這意味著通過獲得反鐵磁膜/鐵磁金屬層/非磁性金屬層/軟磁金屬層結(jié)構(gòu)，并且通過借助反鐵磁膜和鐵磁金屬層之間界面上感應(yīng)出的交換耦合場來基本固定緊貼在反鐵磁膜上的鐵磁金屬層的磁化從而使對應(yīng)部分，即軟磁金屬層發(fā)生磁性旋轉(zhuǎn)，以提供優(yōu)選的輸出功率。
此后，在下文的描述中，簡稱上邊提到的磁化固定效應(yīng)稱之為釘扎偏磁，反鐵磁膜稱之為釘扎偏磁膜。此外上述的磁化在其上充分固定的鐵磁金屬層，簡稱為釘扎膜或鐵磁釘扎層。類似地，被外磁場磁力旋轉(zhuǎn)的軟磁金屬膜被簡稱為自由層或軟磁自由層。
釘扎層的作用就是它使磁化基本固定，于是磁場可以被讀出，反鐵磁膜或者可以被硬磁膜(也就是另一種除非施加一個相對很強(qiáng)的磁場否則不會影響磁化的材料)所代替。
在用了自旋閥型磁阻多層膜的磁頭里，由鐵磁層/非磁性層/軟磁層組成的部分決定了它的磁阻的大小。由于軟磁金屬層是一種鐵磁金屬層，所以鐵磁金屬層-非磁性金屬層之間界面是形成這一原則的原因。大家知道公開的現(xiàn)有技術(shù)允許通過向鐵磁金屬層中插入氧化物或把它的一部分氧化來提高M(jìn)R率。但是，在這種情況下氧化層是沉積在鐵磁金屬層的中間位置而并沒有在鐵磁金屬層-非磁性金屬層界面上形成一定厚度的氧化層。這是由于氧化物一般沒有鐵磁性且不傳導(dǎo)電子，這是磁阻的一個主要塊因子。
或者，還提出了一種通過采用高極化率材料來提高磁阻的方法，但是很難對薄金屬膜，如鐵磁金屬層，和化合物，如用來制造磁阻元件的高極化率氧化物疊壓進(jìn)行。這是由于交替疊壓通常由化合物如氧化物組成的高極化率材料和金屬層，可能會引起高極化率材料與金屬層反應(yīng)，或引起此材料的成分?jǐn)U散進(jìn)入金屬層形成非化學(xué)的計量組成，使其性能變差。
而且，當(dāng)薄膜用通常的成膜技術(shù)疊壓時，就會遇到形成無定形或微晶結(jié)構(gòu)或不均勻晶體結(jié)構(gòu)的問題。例如，對于被認(rèn)為是一種半金屬材料的磁鐵礦(Fe3O4)而言，用濺射方法在室溫以磁鐵礦為靶形成的薄膜所表現(xiàn)的磁化性能只是大塊磁鐵礦的0.6特斯拉的三分之一到一半的水平。為了得到好的薄晶體磁鐵礦膜，基體的溫度需要加熱到約500℃。但是在那么高的基體溫度下成膜，不僅會使連續(xù)形成其它金屬層變困難和影響超薄扁平金屬膜的形成，而且會顯著加速高極化率層和其它金屬層如CoFe層之間的反應(yīng)，影響好的高極化率層的形成。所以實(shí)際上很難疊壓沉積有高極化率層和金屬層的磁阻膜。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種具有長期可靠性的磁記錄裝置，它具有高密度記錄的能力，或提供一種應(yīng)用了磁阻元件的磁頭。再具體一些，本發(fā)明的目的就是獲得具有高M(jìn)R率的自旋閥(spin valve)型磁阻元件，它具有用任何材料如設(shè)置在與非磁性層的界面上的高極化率的氧化物材料形成的鐵磁化合物層以提供應(yīng)用此元件的磁記錄/再現(xiàn)裝置。
根據(jù)本發(fā)明，要提供一種磁記錄裝置，它裝有采用巨磁阻的磁阻元件而且具有高密度記錄的能力，用自旋閥型巨磁阻多層膜作為磁阻元件，即必須用具有軟磁自由層/非磁性中間層/鐵磁釘扎層/反鐵磁膜的多層組成的磁阻元件。
在此，施加交換耦合偏磁來基本固定鐵磁釘扎層的磁化的反鐵磁膜，可以通過直接緊粘在鐵磁釘扎層上形成，或通過間接磁耦合來獲得同樣的效果?；蛘?，可以用任何其它施加偏磁的方法來替代反鐵磁膜，例如，可以用硬磁膜上的殘留磁化或偏流。
根據(jù)本發(fā)明，要解決常規(guī)裝置的問題和提供安裝了磁阻元件和磁頭且具有高密度記錄的能力的磁記錄/讀出裝置，必須至少在具有非磁性中間層的鐵磁釘扎層的界面上設(shè)置高極化率層?；蛘咧辽僭诰哂蟹谴判灾虚g層的軟磁自由層的界面上設(shè)置高極化率層。高極化率層可沉積在鐵磁釘扎層的非磁性中間層與軟磁自由層非磁性中間層之間的界面上。從改良軟磁特性和磁彈性的立場出發(fā)，很容易用高極化率層來做鐵磁釘扎層。采用了能形成包括第一鐵磁層/非磁性插入層/第二鐵磁層的多層結(jié)構(gòu)的組成。
位于緊粘非磁性中間層的界面上的高極化率層，可以由任何一種鐵磁化合物如半金屬或鐵磁化合物與金屬的混合物制得，特別優(yōu)選用Fe-O層。Fe-O層是通過在室溫下或基體溫度在200℃或以下時用任何方法如濺射，接著對該層進(jìn)行熱處理以在Fe-O層中沉積Fe3O4或Fe3O4-x，連續(xù)地和其它金屬層交替層壓而形成的。其中Fe-O層是由溶有氧原子的鐵，鐵磁氧化物如磁鐵礦、鐵與鐵磁氧化物如磁鐵礦的混合物、或Fe3O4-x(x的值在0-3之間，優(yōu)選2-3)制成的，且優(yōu)選形成一種氧的含量比在鐵磁礦Fe3O4化學(xué)計量比成分中氧的含量少的組成。
Fe-O層具有晶體結(jié)構(gòu)，沉積時氧原子完全以無定形或微晶態(tài)溶解在Fe中，通過對Fe-O層在200-400℃間適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行熱處理，能夠在所述層中形成接近Fe-O二元平衡體系的組合物，即一種高極化率相，該相能夠通過在接近Fe-Fe3O4雙相的方向上引起晶體析出現(xiàn)象而使磁阻發(fā)生變化。上述制造方法和組成的應(yīng)用不僅能夠形成具有良好結(jié)晶性的高極化率層，特別是含磁鐵礦層，而且可以減弱鐵磁耦合場，一個產(chǎn)生于鐵磁釘扎層與軟磁自由層之間的所謂夾層耦合場。
或者，對于高極化率層，也可以用所謂的鐵素體組成物作為主要組元，所述組成物中的Fe部分被Ni、Co、Mn、Cr或Mn所代替。由于高極化率層表現(xiàn)鐵磁性，鐵磁釘扎層或軟磁自由層可以只由高極化率性層組成，但是，通過層壓高極化率層、金屬鐵磁材料等，可以形成任何結(jié)構(gòu)如高極化率層/CoFe層/Ru層/CoFe層/反鐵磁層結(jié)構(gòu)，從而獲得高的MR率和交換耦合場，以及適合的波形對稱性?；蛘咝纬筛邩O化率層/CoFe層/NiFe層的結(jié)構(gòu)作為軟磁自由層以獲得高的MR率和軟磁特性。
高極化率層的厚度可以做成0.5nm或更厚以提高電阻磁化的速度，厚度低于5nm可使軟磁特性更好且可使夾層耦合場減弱。特別優(yōu)選在1-3nm間的任何厚度，因?yàn)榭梢酝瑫r得到較高的MR率和減弱的夾層耦合場。
優(yōu)選銅做非磁性中間層，然而，如果適當(dāng)可以用任何一種導(dǎo)電金屬如Au、Ag、Al、Pt、Pd、Os、Re、Ru和Rh，或使用含有它們中任何一種的合金。
在構(gòu)成多層組成物的磁阻元件上布置了至少一對電極，該電極可以在施加電流時讀出輸出信號。所施加的電流平行于多層組成物的層結(jié)構(gòu)以便檢測由于界面上的散射產(chǎn)生的巨磁阻?；蛘?，電流垂直于多層組成物的層結(jié)構(gòu)以便使高極化率層中的極化電子透過界面并且產(chǎn)生要檢測的磁阻。
磁阻元件可以只有一個單磁疇結(jié)構(gòu)以便通過使軟磁自由層進(jìn)入單磁疇結(jié)構(gòu)來防止產(chǎn)生噪音。例如，設(shè)置了硬磁膜，它在端部存在沿磁阻元件的膜表面且垂直于要檢測的磁場的方向的殘留磁化?；蛘邌未女牭墨@得也可通過設(shè)置例如鄰近磁阻元件的沿膜厚方向有殘留磁化的硬磁膜以在硬磁膜和磁阻元件的多層組成物上形成形狀相同的端部。
根據(jù)本發(fā)明，在使用這些材料和組成的磁阻元件中，以及在讀出部分用了磁阻元件的磁記錄/讀出裝置里實(shí)現(xiàn)了高密度記錄和更窄的記錄道寬，即用短的記錄波長在記錄介質(zhì)上來寫入，從而使得有足夠的讀出輸出信號來確保更好的記錄。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以得到一種有更好的偏磁特性和高輸出功率的磁阻元件以及使用它的磁頭，特別是可以得到磁頭和一種高記錄密度的有更好讀出輸出和偏磁特性的磁記錄/再現(xiàn)裝置。
附圖簡述參照附圖將對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的磁阻多層膜的多層組成截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的磁阻多層膜的多層組成截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的磁阻多層膜的多層組成截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的磁阻多層膜的多層組成截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的磁阻頭的主截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的磁阻頭的主截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的磁阻頭的主截面圖；圖8是顯示Fe-O膜的組成與飽和磁通密度之間關(guān)系的特性圖；圖9是沉積時添加了31at％的Fe接著進(jìn)行熱處理的Fe-O膜的x射線衍射圖；圖10是沉積時添加了31at％的Fe接著進(jìn)行過熱處理的Fe-O膜的磁化曲線特性圖；圖11是使用Fe添加量為31at％的Fe-O膜的自旋閥的磁化曲線和磁阻曲線特性圖；圖12是Fe-O膜的厚度、以及自旋閥的磁化量、薄膜電阻、和MR率的特征圖；圖13是顯示Cu非磁性中間層、自旋閥膜的MR率和薄膜電阻之間關(guān)系的特性圖；圖14是顯示Cu層的厚度、使用Fe-O層的不同組成的自旋閥的MR率和薄膜電阻之間關(guān)系的特性圖；圖15是安裝了本發(fā)明磁阻元件的磁頭的示意圖；圖16是本發(fā)明磁記錄/再現(xiàn)裝置的組成實(shí)例的方框圖。
優(yōu)選實(shí)施例詳述(實(shí)施例1)用下述的射頻磁濺射設(shè)備制造了構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的巨磁阻元件多層膜的薄膜，在1-6mm乇氬氣環(huán)境下，把以下材料順序?qū)訅涸?mm厚的陶瓷基板上形成薄膜，用鉭、鎳-20at％鐵合金、銅、鈷、MnPt、釕和Fe3O4(磁鐵礦)做濺射靶。把一平方厘米的Fe和Ni片適當(dāng)?shù)胤旁贑o靶上來調(diào)整組成。類似地，例如把一平方厘米的Fe片放在磁鐵礦靶上來調(diào)整組成。
此后形成Fe-O層的組成就由磁鐵礦(Fe3O4)加上Fe的總量來表示，例如Fe-O層中含F(xiàn)e10at％就表示Fe3O4占90at％，F(xiàn)e占10at％。
為了順序形成多層膜的各個單層，通過向放置在靶上的各個陰極施加射頻電流在設(shè)備里產(chǎn)生等離子體，然后將各個陰極上的開關(guān)一個接一個地打開閉合，當(dāng)膜形成后，用永磁鐵以平行基板方向施加磁場強(qiáng)度約為80奧斯特的磁場來引起單軸磁各向異性。形成的膜在磁場里真空條件下270℃熱處理3小時以轉(zhuǎn)化反鐵磁性膜相，其結(jié)果使得在Fe-O層中沉積上高極化率化合物層，并且，在室溫下測定磁阻。經(jīng)過光刻處理，元件形成在基板上。然后，基體經(jīng)過滑板處理并安裝在磁記錄裝置上。
圖1是要用作磁阻元件的磁阻多層膜的組成的一個例子。在圖的注示中，例如“Ta3”表示多層組成的一種成分材料的例子和它以nm為單位的厚度。
這表示，根據(jù)圖中所示的實(shí)施例，磁阻多層膜10是由在基體50上連續(xù)層壓底層膜14、反鐵磁膜11、鐵磁釘扎層15、非磁性中間層12、軟磁自由層13、和保護(hù)膜37而成的。在多層組成中，電阻隨鐵磁釘扎層15的磁化方向與軟磁自由層13的磁化方向之間的夾角通過巨磁阻或隧道磁阻而變化。
磁阻多層膜10的底層膜14改進(jìn)了磁阻多層膜10的底層膜14以上的部分的結(jié)晶度和結(jié)晶方向。底層膜14有Ta/NiFe的組成但也可以有其它組成。應(yīng)用無底層膜14形成的組成并不會對本發(fā)明的目的起相反的作用。
在圖1所示的組成例最重要的意義就是圖1中軟磁自由層13的組成在圖1中，軟磁自由層13是由包括高極化率層16、第一層軟磁膜131、第二層軟磁膜132的多層結(jié)構(gòu)來表示的。例如，如圖所示，通過高極化率層16粘附在非磁性中間層12上來得到高的MR率，在粘附高極化率層16的一邊的第一層軟磁膜是用相對較薄的Co合金層，例如Co90Fe10合金或Co80Fe8Ni12來控制高極化率層16和第二軟磁膜132之間的擴(kuò)散和混合而形成的。在非磁性中間層12一邊的第二層軟磁膜是用，例如，相對較厚的NiFe合金層形成的以使多層膜實(shí)現(xiàn)更好的軟磁特性和更高的MR率。
由于形成的多層結(jié)構(gòu)可以跟對偶件發(fā)生磁性耦合，因此，同一取向的磁化態(tài)常作為一個單體來處理。為實(shí)現(xiàn)磁化狀態(tài)，組成軟磁自由層13的高極化率膜16、第一軟磁膜132、和第二軟磁膜131是直接層壓的，它們之間沒有沉積中間層，或如果有中間層，其厚度也在適當(dāng)?shù)闹?，特別是1mm或更少以使它更薄。不同于圖中所示的例子，軟磁自由層13由包括高極化率層16/第一軟磁膜131的多層組成，或者由除了第一和第二鐵磁膜之外的第三或更多的多層制成并不起與本發(fā)明的目的相反的作用。對磁化各向異性的大小等因素進(jìn)行設(shè)定，以使軟磁自由層13的磁化方向可能跟沒有施加磁場時磁道的寬度的大致方向相同。高極化率層16優(yōu)選用化合物如高極化率的半金屬，例如Fe3O4來制造，特別更優(yōu)選由富Fe的Fe-O膜或由氧含量比Fe3O4低的Fe-O膜來制造，或者鐵被Mn、Cr、Ni或Co部分取代。此外，厚度為10nm或更少，特別是在0.5-3nm間任一厚度的高極化率層16有更好的磁性能，減少了軟磁自由層13和鐵磁釘扎層15之間的層間耦合，且表現(xiàn)出很高的磁阻。
鐵磁釘扎層15是由位于粘貼非磁性中間層12一邊的第一鐵磁膜151和位于跟反鐵磁膜11代表的釘扎偏磁施加手段相貼一邊的第二鐵磁膜152，以及插在第一、第二鐵磁膜之間并耦合以使第一鐵磁膜151和第二鐵磁膜152有反鐵磁性，即逆平行磁化的反平行耦合層154形成的。這種組成使得源于鐵磁釘扎層的形成端的靜磁場的輸出可以調(diào)節(jié)，且當(dāng)用于磁頭時，它可以使讀出對稱性更好。這樣，包括反平行耦合層的鐵磁釘扎層的組成在用于磁頭時是有效的。請注意不含有反平行耦合層的組成應(yīng)用于其它組成物和應(yīng)用場合中時并不跟本發(fā)明的目的起相反的作用。(實(shí)施例2)
類似地，圖2是要用于根據(jù)本發(fā)明磁阻元件的磁阻多層膜的組成的另一個例子。圖中的注示跟圖1中相同。磁阻多層膜10是通過在基體50上連續(xù)層壓底層膜14、反鐵磁膜11、鐵磁釘扎層15、非磁性中間層12、軟磁自由層13、和保護(hù)膜37而成的。對于多層組成，其電阻隨鐵磁釘扎層15的磁化方向與軟磁磁自由層13的磁化方向之間的夾角通過巨磁阻或隧道磁阻而變化。由于底層膜14等、軟磁自由層13等等的組成和作用與圖1中所示的那些相同，所以它們的描述在此省略。如果底層膜14、軟磁自由層13等等的組成與圖中的那些有些不同，并不起跟本發(fā)明的目的相反的作用。
本發(fā)明的這個例子的最重要的意義就在于在鐵磁釘扎層15的組成中包括了一氧化物插入層155。如圖所示，鐵磁釘扎層15是由貼在非磁性中間層12上的第三鐵磁膜、位于與反鐵磁膜11代表的釘扎偏磁施加手段相接一邊的第二鐵磁膜152、通過反平行耦合層154反鐵磁性耦合在第二鐵磁膜上的第一鐵磁膜151、以及插在第一和第三鐵磁膜之間起增加第三鐵磁膜的結(jié)晶度以提高M(jìn)R率作用的氧化物插入層155形成的。
含有反平行耦合層的鐵磁釘扎層的組成在用于磁頭時是有效的。注意不含有反平行耦合層的組成應(yīng)用于其它組成物和應(yīng)用場合中時并不起跟本發(fā)明的目的相反的作用。
厚度為1nm的氧化物插入層155通過氧化物插入層鐵磁耦合在第三鐵磁膜153和第一鐵磁膜151之間并且使得第三鐵磁膜153和第一鐵磁膜151發(fā)生單個磁化。通過把含有氧化物插入層155的組成與在和非磁性中間層12的界面上有高極化率層16的軟磁磁自由層13結(jié)合起來，提高了結(jié)晶度，也得到了高M(jìn)R率。(實(shí)施例3)圖3是要用作本發(fā)明磁阻元件的磁阻多層膜的又一個例子。圖中的注示與圖1中相同。磁阻多層膜10是通過在基體50上連續(xù)層壓底層膜14、反鐵磁膜11、鐵磁釘扎層15、非磁性中間層12、軟磁自由層13、和保護(hù)膜37而成的。
對于多層組成，其電阻隨鐵磁釘扎層15的磁化方向與軟磁磁自由層13的磁化方向之間的夾角通過巨磁阻或隧道磁阻而變化。由于底層膜14等等的組成和作用與圖1中所示的那些相同，所以它們的描述在此省略，如果底層膜14或其它部分的組成與圖中的有些不同，并不起跟本發(fā)明的目的相反的作用。
本發(fā)明的這個例子的最重要的意義就在于高極化率層162和161分別包含在軟磁自由層13和鐵磁釘扎層15的組成中。如圖所示，鐵磁釘扎層15是由貼在非磁性中間層12上的第三鐵磁膜、位于與反鐵磁膜11代表的釘扎偏磁施加手段相接一邊的第二鐵磁膜152、通過反平行耦合層154反鐵磁性耦合在第二鐵磁膜上的第一鐵磁膜151、以及在界面上與非磁性中間層12相接的高極化率層161形成的。含有反平行耦合層的鐵磁釘扎層的組成在用于磁頭時是有效的。注意不含有反平行耦合層的組成應(yīng)用于其它組成和應(yīng)用場合中時并不起跟本發(fā)明的目的相反的作用。
軟磁自由層13是按一種連續(xù)的多層組成形成的，它是鐵磁耦合在一起的，所以它可以作為一個單磁膜來實(shí)現(xiàn)磁化過程。類似地，軟磁自由層13是由在界面上與非磁性中間層相連的高極化率層162、第一軟磁膜131、和第二軟磁膜132形成的。第二軟磁膜132可以省略。兩個高極化率層161和162通過非磁性中間層12彼此鄰近，感應(yīng)出磁阻厚度為1-2nm的高極化率薄層，特別是，降低了層間耦合場。(實(shí)施例4)圖4是要用作本發(fā)明磁阻元件的磁阻多層膜的又一個例子。圖中的注示與圖1中相同。磁阻多層膜10是通過在基體50上連續(xù)層壓底層膜14、軟磁自由層13、非磁性中間層12、鐵磁釘扎層15、反鐵磁膜11、和保護(hù)膜37而成的。對于多層組成，其電阻隨鐵磁釘扎層15的磁化方向與軟磁磁自由層13的磁化方向之間的夾角通過巨磁阻或隧道磁阻而變化。由于底層膜14等等的組成和作用與圖1中所示的那些相同，所以它們的描述在此省略。如果底層膜14或其它部分的組成與圖中的有些不同，并不會起跟本發(fā)明的目的相反的作用。
本發(fā)明的這個例子的重要的意義就在于鐵磁釘扎層15的細(xì)減中包括了高極化率層16。如圖所示，鐵磁釘扎層15是由貼在非磁性中間層12上的高極化率層16、位于與反鐵磁膜11代表的釘扎偏磁施加手段相接一側(cè)的第二鐵磁膜152、以及通過反平行耦合層154反鐵磁性耦合在第二鐵磁膜上的第一鐵磁膜151形成的。含有反平行耦合層154的鐵磁釘扎層15的組成在用于磁頭時是有效的。注意不合有反平行耦合層154的組成應(yīng)用于其它組成和應(yīng)用場合中時并不起跟本發(fā)明的目的相反的作用。
軟磁自由層13是按一種連續(xù)的多層組成形成的，它是磁耦合在一起的，所以它可以作為一個單磁膜實(shí)現(xiàn)磁化過程。在軟磁自由層13和底層膜14之間可以包含用來提高磁性能和結(jié)晶度的磁彈性層或插入層。高極化率層16通過非磁性中間層12與軟自由層13，特別是第一軟磁膜131相鄰，感應(yīng)出磁阻。厚度為約1-2nm的高極化率薄層16特別是降低了層間耦合場。(實(shí)施例5)圖5是應(yīng)用本發(fā)明磁阻多層膜的磁阻頭的組成的一個例子的面對磁性介質(zhì)的截面圖。紙上左-右方向代表磁頭上的磁道的寬度方向，紙上的寬度表示元件的高的方向。
根據(jù)此實(shí)施例的磁頭的形成過程包括在基體50上層壓低磁屏蔽層35和低間隙屏蔽膜71，再在上面沉積磁阻多層膜10和磁疇控制膜45，此外在上面還沉積了上間隙膜72和上磁屏蔽層36形成一個讀出間隙43來探測讀出信號。跟磁阻多層膜10相接放置了電極40來探測讀出電流的施加或電阻的變化。用有殘留磁化的磁膜通過跟硬磁膜或反鐵磁膜等等相耦合而形成的磁疇控制膜45的位置稍微遠(yuǎn)離磁阻多層膜10，這樣它就可以在磁阻多層膜10上感應(yīng)出偏磁效應(yīng)來隔離單磁疇。
在此例中，磁阻多層膜10的組成可以和實(shí)施例1-4中描述的相同，但是優(yōu)選形成磁疇控制膜45時，軟磁自由層位于疊層表面一側(cè)。讀出磁間隙43把磁阻多層膜10保持在間隙的大致中心位置，使漏入讀出間隙43的磁信號能夠被高分辨率地讀出。(實(shí)施例6)圖6是應(yīng)用本發(fā)明磁阻多層膜的磁阻頭的組成的另一個例子的面對磁性介質(zhì)的截面圖。跟圖5類似，紙上左-右方向代表磁頭上的磁道寬度方向，紙上的寬度代表元件的高的方向。
根據(jù)此實(shí)施例的磁頭的形成過程包括在基體50上層壓低磁屏蔽層35和低導(dǎo)電間隙膜73，再在上面沉積磁阻多層膜10和磁疇控制膜45，此外又在上面沉積了上導(dǎo)電間隙膜74和上磁屏蔽層36形成一個讀出間隙43來探測讀出信號。跟磁阻多層膜10和磁疇控制膜45相接放置了電極40來探測當(dāng)在磁阻多層膜10的厚度方向施加讀出電流時電阻的任何變化。
其中，用有殘留磁化的磁性膜通過跟硬磁膜或反鐵磁膜等等交換耦合而形成的磁疇控制膜45的位置稍微遠(yuǎn)離磁阻多層膜10，這樣它就可以在磁阻多層膜10上感應(yīng)偏磁效應(yīng)來隔離單磁疇。
在此例中，磁阻多層膜10的組成可以和實(shí)施例1-4中描述的相同，但是優(yōu)選組成磁疇控制膜45時，軟磁自由層位于疊層表面一側(cè)。在圖中，形成了一個跟磁阻多層膜10的任何其它部分寬度相同的反鐵磁膜11的例子，但是也可以形成尺寸不同的反鐵磁膜，那樣電流會繞過反鐵磁膜11。讀出磁間隙43把磁阻多層膜10保持在間隙的大致中心位置，使漏入讀出磁間隙43的磁信號能夠被高分辨率地讀出。(實(shí)施例7)圖7是應(yīng)用本發(fā)明磁阻多層膜的磁阻頭的組成的又一個例子的面對磁性介質(zhì)的截面圖。跟圖5類似，紙上左-右方向代表磁頭上磁道的寬度方向，紙上的寬度代表元件的高的方向。
根據(jù)此實(shí)施例的磁頭的形成過程包括在基體50上層壓低磁屏蔽層35和低導(dǎo)電間隙膜73，再在上面沉積磁阻多層膜10，此外又在上面沉積了上導(dǎo)電間隙膜74和上磁屏蔽層36，形成一個讀出間隙43來探測讀出信號。電極40直接放在磁阻多層膜10上來探測讀出電流的施加或電阻的變化。用有殘留磁化的磁膜通過跟硬磁膜或反鐵磁膜等等交換耦合而形成的磁疇控制膜45的端部大致跟磁阻多層膜10的左右兩邊相接觸，使它在磁阻多層膜10上有偏磁效應(yīng)。讀出間隙43把磁阻多層膜10保持在間隙的大致中心位置，使漏入讀出間隙43的磁信號能夠被高分辨率地讀出。
圖8是Fe-O膜的組成與飽和磁通密度之間的關(guān)系圖。為便于測量，F(xiàn)e-O膜制成厚度約0.3μm的單層膜。通過濺射法用磁鐵礦(Fe3O4)作靶制成不含有Fe的Fe-O膜，在成膜時，它的飽和磁通密度是0.2特斯拉，經(jīng)過在270℃三小時的熱處理后最多為0.3特斯拉或更低，是塊狀磁鐵礦(Fe3O4)飽和磁化時的0.6特斯拉的一半或更低。另一方面Fe-O膜在加了約30at％的Fe后其飽和磁通密度在熱處理前為0.5特斯拉，熱處理后為0.7特斯拉或更多。那時磁化可能是由Fe引起的。
圖9是加了31at％Fe的Fe-O膜的飽和磁通密度在沉積時(a)和熱處理后(b)的X射線衍射曲線。從結(jié)果中可以看出，熱處理前后它們的結(jié)構(gòu)是不同的。沉積時(熱處理前)，觀察到了表示比標(biāo)準(zhǔn)Fe(110)面間距更寬的寬峰，表明Fe-O膜有與Fe類似的結(jié)構(gòu)，里面溶入了氧。由此，說明大部分極化是由金屬鐵而不是組成相中的Fe3O4引起的。另一方面，熱處理后接近Fe(100)峰的那些峰其面間距變窄，且清楚地觀察到了Fe3O4(220)(311)對應(yīng)的峰。因此，很明顯通過對Fe-O膜進(jìn)行熱處理有Fe3O4沉積且形成了Fe或溶有氧的Fe和Fe3O4構(gòu)成的混合物膜。
圖10是加了31at％Fe的Fe-O膜在沉積時(a)和熱處理后(b)的磁化曲線。沉積時的磁化曲線表現(xiàn)出很低的矯頑力且畫出垂直的磁化回路，表明鐵磁性Fe或Fe-O顆粒分散在它的非磁性基體中。另一方面，熱處理后的磁化曲線表現(xiàn)出約500 Oe的矯頑力，表明它反映了通過熱處理沉淀出的磁鐵礦(Fe3O4)的磁晶體各向異性。
這些Fe-O膜的電阻取決于膜的厚度。在此厚約0.3μm的膜的電阻在沉積時為1224μΩcm，熱處理后為566μΩcm。
圖11是當(dāng)加了31at％Fe的Fe-O膜用來做軟磁自由層和當(dāng)它用來做鐵磁釘扎層時的自旋閥膜的磁化和磁阻曲線。Fe-O層厚度為20nm或10nm。磁阻曲線是通過施加面內(nèi)電流，即所說的CIP測定法來測定的。
當(dāng)Fe-O層用來做軟磁自由層時，與Cu非磁性中間層較厚(10nm)無關(guān)，在鐵磁釘扎層與軟磁自由層的磁化曲線之間看不出明顯不同。這是因?yàn)殍F磁層與軟磁自由層間的層間耦合是鐵磁性的。注意，從磁化曲線描述的磁化量可知，用來做軟磁自由層的Fe-O膜足夠強(qiáng)。因此，磁阻曲線表現(xiàn)出1％或更低的電阻。
類似地，當(dāng)Fe-O層用來做鐵磁釘扎層時，與Cu非磁性中間層較厚(10nm)無關(guān)，在鐵磁釘扎層與軟磁自由層的磁化曲線之間看不出明顯不同。這樣，磁阻曲線表現(xiàn)出1％或更低的電阻。注意，從磁化曲線描述的磁化量可知，用來做鐵磁釘扎層的Fe-O膜有足夠的鐵磁性，且通過形成鐵磁釘扎層作為與MnPt反鐵磁膜相接觸的Fe-O層/CoFe層的多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了交換耦合。
圖12顯示了Fe-O層的厚度與自旋閥膜的磁化量、薄膜電阻和MR率之間的關(guān)系。與圖11類似，F(xiàn)e-O層用來做軟磁自由層和鐵磁釘扎層。為方便，也顯示了Fe-O單層膜的厚度與磁化量之間的關(guān)系。
由圖可知，F(xiàn)e-O層的磁化量沿一條約0.8特斯拉對應(yīng)的直線逐漸減少且當(dāng)層厚變得小于10nm時幾乎到達(dá)0(零)。另一方面，還可以看到當(dāng)Fe-O層用來做自旋閥層時，鐵磁釘扎層和軟磁自由層的磁化量都在約1(一)特斯拉對應(yīng)的直線上且在兩種情形下都以1nm這樣小的厚度畫直線。這意味著，不同于Fe-O單層，自旋閥里的Fe-O層盡管它的厚度很薄，例如1-2nm，也可以保持一特斯拉的高磁化。這可能是因?yàn)橛勺孕y膜的基層膜所帶來的影響。而且，由CoFe、Cu等此類任何材料制成的Fe-O層的形成提高了結(jié)晶度。
薄膜電阻并不特別依賴于Fe-O層的厚度。這是由于Fe-O層的電阻大于其它任何金屬層的電阻。MR率對層厚的依賴在鐵磁釘扎層與軟磁自由層之間并不相同。當(dāng)Fe-O層用來做軟磁自由層時，如果Fe-O層的厚度變得小于2nm，它可能下降。這可能是由于當(dāng)厚度為1nm的Fe-O層用來做軟磁自由層時，磁化量偏離直線，表明磁化量減少了。然而，對于厚度為2-20nm的Fe-O層，當(dāng)層厚變薄時MR率升高。這意味著當(dāng)Fe-O層的厚度變薄時層間耦合場減弱。另一方面，當(dāng)厚度為10nm或更小的Fe-O層用來做鐵磁釘扎層時，MR率降低而不是升高。這可能是由于在Fe-O層上形成了Cu層，基體對足夠厚的Fe-O層上的Cu層有影響。層厚為3nm或更小時， MR率又升高且達(dá)到Fe-O層厚度為1nm時的高值這意味著當(dāng)Fe-O層變薄時，層間耦合場減弱了。此外，它表明盡管層厚為1nm，鐵磁釘扎層中的Fe-O層的磁化量更好了。
這些結(jié)果表明，對于鐵磁釘扎層，即使層厚為1nm，該值小于用于軟磁自由層的厚度，MR率卻更好了。這可能是由于如果Fe-O層位于鐵磁金屬CoFe層附近，則更薄的Fe-O層的性能會提高。
圖13顯示了Fe-O層中鐵的加入量、Cu非磁性中間層的厚度和自旋閥膜的性能。當(dāng)Cu層變薄時MR率升高，而當(dāng)層間耦合場變大時，即使Cu層很薄，MR率也會降低。從圖中可知，10nm厚的Cu層無論其組成如何所表現(xiàn)的MR率幾乎相同，但是，當(dāng)Fe的添加量為20at％時，7nm厚的Cu層中的MR率開始降低，且隨Fe的添加量增加持續(xù)降低。當(dāng)Fe的添加量為40at％時MR率達(dá)到最高值且在Fe添加量在30-55at％之間任一值時就達(dá)到了很高的MR率。在此組成中，當(dāng)Fe-O層中的Fe的添加量增加到22-55％時，也即在20at％、30at％、或40at％時MR率取決于Fe的添加量。另一方面，薄膜電阻只隨Cu層的厚度變化而與Fe含量無關(guān)。
圖14顯示了具有采用Fe-O膜的各種組成的自旋閥膜中Cu層的厚度、MR率、和薄膜電阻之間的關(guān)系。A型、B型和C型只在軟磁自由層中有Fe-O層，而D型和E型在軟磁自由層中用了Fe-O層/CoFe層的多層結(jié)構(gòu)。B型、C型和E型在沉淀的鐵磁釘扎層中有氧化物插入層。B型和C型之間的一點(diǎn)區(qū)別在于前者厚度為3nm而后者為2nm。在A型組成中，即使Cu層薄到小于7nm，MR率也不會升高，而在B型組成中，即使Cu層薄到小于3-5nm，MR率也不會降低，此外，對于C-E型，MR率逐漸升高直到Cu層的厚度達(dá)到2-3nm，MR率也達(dá)到了5-7％的高值。因此，通過減小Fe-O層的厚度，把更薄的約1nm厚的Fe-O層與CoFe層等等一起層壓形成一個多層，且在釘扎層中插入氧化層，就可以獲得高M(jìn)R率。
從圖中可知，當(dāng)Cu層變薄時，不管固定層或Fe-O層和CoFe層的組合怎樣，薄膜電阻都會升高。
圖15是安裝了本發(fā)明磁阻元件的磁頭的一個簡圖。在基體50上形成了磁阻多層膜10、磁疇控制膜(沒有示出)、電極40、下屏蔽層35、上屏蔽層36、下磁核42和上磁核83。在圖中，磁頭有放置了上磁屏蔽層36和下磁核84的結(jié)構(gòu)。注意使用同種材料制成的上磁屏蔽層和下磁核并不起跟本發(fā)明的目的相反的作用。
圖16顯示的是本發(fā)明的磁記錄/再現(xiàn)裝置的一個例子。在此例中，載有記錄磁信息的記錄介質(zhì)91的盤片95在軸發(fā)動機(jī)93帶動下旋轉(zhuǎn)，如圖15中所示，裝有磁頭的滑觸頭90被致動裝置92引導(dǎo)到盤片95的磁道上。這表示在磁盤裝置中，放在滑觸頭90上的讀出頭和寫入頭通過此機(jī)構(gòu)被移向特定的記錄位置來達(dá)到想要的相互運(yùn)動，從而得以成功地進(jìn)行信號讀寫。致動裝置92優(yōu)選旋轉(zhuǎn)型致動裝置。
記錄信號通過信號處理系統(tǒng)94由寫入頭記錄在介質(zhì)上，讀出頭的輸出信號再通過信號處理系統(tǒng)94處理為讀出信號。此外，當(dāng)讀出頭移到期望的磁道后，磁道上精確的位置可以用來自讀出頭的高靈敏度的輸出信號來測定，而觸頭的移位可以通過控制致動裝置來執(zhí)行。盡管可以使用一個以上的滑觸頭和盤片，但在圖中只顯示了一個滑觸頭90和一個盤片95。此外在盤片95的雙面都可以放上記錄介質(zhì)91來記錄信息。當(dāng)要求信息記錄在盤片的雙面上時，在盤片的兩邊也要分別放置滑觸頭90。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，提供了一種制造上述磁阻元件的方法。這種方法包括下列步驟用真空或膜方法如同時濺射將Co、Fe、Ni、Mn或Cr的氧化物或它們的混合氧化物與金屬Co、Fe、Ni、Mn和Cr或它們的合金混合；對得到的混合物在200-400℃進(jìn)行熱處理，形成所說的高極化率層。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，提供了制造上述磁阻元件的另一種方法。這種方法包括下列步驟形成一個金屬薄膜層；把所說的金屬薄膜層暴露在含有反應(yīng)氣體如氧的氣氛中進(jìn)行氧化或化合，從而形成所說的高極化率層。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面。提供了一種磁頭，其中的磁敏感部位包含上述磁阻元件。
對本發(fā)明的磁頭和裝有它的磁記錄/再現(xiàn)裝置的測試的結(jié)果表明它們顯示了足夠的輸出信號和更好的偏磁特性以及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種磁阻元件，它具有鐵磁層/非磁性中間層/鐵磁層的多層組成，所述多層組成由所述非磁性中間層隔開且有至少兩個鐵磁層，而且所述磁阻元件包含可以使多層組成在限定在各鐵磁層之間的相對磁化角隨外加磁場變化時能感應(yīng)出磁阻的部件，以及至少一對探測所說的磁阻的變化的電極，其中至少一個所說的鐵磁層由高極化率層組成；至少一個非磁性中間層-鐵磁層的界面具有包括非磁性中間層/高極化率層/鐵磁金屬層的組成，所說的高極化率層是鐵磁化合物如半金屬或任何鐵磁化合物和金屬的混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其中至少有一個所說的鐵磁層是由包括高極化率層和鐵磁金屬層的多層結(jié)構(gòu)組成的；至少有一個非磁性中間層-磁層界面具有包括非磁性中間層/高極化率層/鐵磁金屬層的組成，所說的高極化率層是鐵磁化合物如半金屬或任何鐵磁化合物和金屬的混合物。
3.權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其中至少有一個所說的鐵磁層是由含有鐵磁化合物的多層結(jié)構(gòu)或由含有鐵磁化合物的鐵磁金屬層和高極化率層的多層結(jié)構(gòu)組成的，至少有一個非磁性中間層-鐵磁層界面具有包括非磁性中間層/高極化率層/鐵磁金屬層的組成，所說高極化率層是主要由磁鐵礦、Fe3O4-x(x為0-3，優(yōu)選2-3)、或MFe2O4-X(M＝Fe、Co、Ni、Mn、Cr、或Zn，x為0-3，優(yōu)選2-3)組成的鐵磁氧化物、所說的鐵磁氧化物與Fe的混合物、或所說的鐵磁氧化物與包括任何Fe、Co、Ni等等在內(nèi)的鐵磁金屬的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其中其中一個具有所說的鐵磁層/非磁性中間層/鐵磁層組成的鐵磁層的磁化取向相對于待感知的磁場通過沉積在其整個表面上的反鐵磁膜和固定手段如交換耦合而被基本固定。
5.一種磁阻元件，具有第一鐵磁金屬層/非磁性中間層/第二鐵磁金屬層/反平行耦合層/第三鐵磁金屬層/反鐵磁膜的多層組成，而且包含可以使該多層組成在限定在各鐵磁層之間的相對磁化角隨外加磁場變化時能感應(yīng)出磁阻的部分，以及至少一對探測所說的磁阻的變化的電極，其中所說的第三鐵磁層的磁化相對于應(yīng)感知的磁場通過沉積在其整個表面上的所說的反鐵磁膜和交換耦合而基本固定上，交換耦合是由所說的反鐵磁膜施加的交換耦合力而形成的，由此通過所說的反平行耦合層施加的交換耦合力相對于所說的第三鐵磁層的磁化取向所說的第二鐵磁層的磁化基本上反平行固定，而且由此所說的第二鐵磁金屬層的磁化相對于應(yīng)感知的磁場被基本固定，所說的第二鐵磁層是由高極化率層和鐵磁金屬層的多層結(jié)構(gòu)組成的，其中高極化率層是鐵磁氧化物或高極化率的鐵磁氧化物與鐵磁金屬的混合物；所說的磁阻元件具有第一鐵磁層/非磁性中間層/高極化率層/鐵磁金屬層的組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁阻元件，其中所說的第一和第二鐵磁層的每一個都是由高極化率層和鐵磁金屬層的多層結(jié)構(gòu)組成的，其中高極化率層是鐵磁氧化物或高極化率的鐵磁氧化物與鐵磁金屬的混合物；所說的磁阻元件具有第一鐵磁層/非磁性中間層/第二高極化率層/第二鐵磁金屬層的組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其中所說的高極化率層的厚度為0.5-5nm，優(yōu)選1-3nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其中所說的非磁性中間層是由任何導(dǎo)電金屬如Cu或Au、Ag、Al、Pt、Pd、Os、Re、Ru、和Rh組成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其中所說的非磁性中間層是由用任何材料如氧化鋁制成的絕緣膜組成的，所說的磁阻具有隧道效應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其中所說的鐵磁層包含一個具有電子反射層、擴(kuò)散控制層、或結(jié)晶度提高層功能的氧化物插入層，且具有鐵磁金屬層/氧化物插入層/鐵磁金屬層的組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其中所說的電極的結(jié)構(gòu)能夠使其在平行于所說的多層組成的多層表面方向施加電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其中所說的電極的結(jié)構(gòu)能夠使其在所說的多層組成的膜厚方向施加電流。
全文摘要
現(xiàn)有技術(shù)中用金屬磁性膜制成的磁阻多層膜不能提供足夠的再現(xiàn)輸出能力。厚度為10nm或更薄的高極化率層做為與非磁性中間層界面相接觸的富Fe的Fe－O層形成，再把所得到的層進(jìn)行熱處理形成鐵磁Fe－O層的多層膜，從而獲得有高磁阻的磁阻元件。
文檔編號H01F10/30GK1409297SQ0215291
公開日2003年4月9日 申請日期2002年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月17日
發(fā)明者星屋裕之, 添谷進(jìn), 目黑賢一 申請人:株式會社日立制作所