针对上述问题,本发明提议用所谓的CPP-GMR(电流垂直于膜面的) 元件,使磁记录
密度提高,达到超高密化。常规的GMR元件的电流流在 膜面内,而CPP-GMR元件的电流与膜面垂直。
本发明的MR元件(磁阻效应元件),其特征为:
具有:第一磁性层(自由层);非磁性层;第二磁性层(固定层), 隔着上述非磁性层,层叠在上述第一磁性层上;磁化翻转抑制层,用 于抑制上述第二磁性层的磁化翻转;上述第一磁性层比上述第二磁性 层更容易随外部磁场产生磁化翻转,用于读出信号的电流沿与膜面垂 直的方向流动;其特征在于上述非磁性层具有以
电阻率在4μΩ.cm以 上200μΩ.cm以下的金属为主要成分的
薄膜。
本发明的MR元件,即使在元件面积受到限制时,元件的电阻也不 会过高。所以,即使在很窄的磁缝中也能获得大的输出。
在本
说明书中,“主要成分”指占80atom%以上的成分。最好是 电阻率在上述范围内的金属占非磁性层的95atom%以上。
本发明提供具有上述MR元件与磁屏蔽罩的MR磁头。设置此磁屏 蔽罩是为了屏蔽从磁存储媒体外流向MR元件的外部磁场。本发明还提 供磁存储与还原装置,该装置具有上述MR磁头和用MR磁头进行信息 存储或还原的磁存储媒体。
附图说明
图1是本发明的磁阻效应元件的一实施方案剖面图;
图2是本发明的磁阻效应元件的另一实施方案剖面图;
图3显示磁性层之间的交变相互作用随非磁性层的膜厚增加而 变化的一例子;
图4是本发明的磁阻效应型磁头的一实施方案的斜视图;
图5是使用常规的MR元件的磁阻效应型磁头的斜视图;
图6是本发明的磁信息存储与还原装置的一实施方案的平面图;
图7是本发明的磁信息存储与还原装置的一实施方案的剖面图;
图8是用
实施例1制作的元件的剖面图;
图9是用实施例2制作的元件的剖面图;
实施方案
如图1所示,在本发明的一实施方案中,MR元件具有层叠的多层 膜,依次为:下部
电极5、磁化翻转抑制层4、固定层3、非磁性层2、 自由层1、上部电极6。在此元件中,固定层3的磁化被磁化翻转抑制 层4产生的交变偏置磁场
锁住。作为另一强磁性体的自由层1,由于非 磁性层2的隔离作用,与固定层3的磁性分离。因此,自由层的磁化 比固定层的磁化更容易随外部磁场翻转。
通常,在两个磁性层的磁化方向相反时,由于在磁性层/非性层界 面的
电子散乱,元件的电阻变高。而磁化方向一致时,由于在界面的 散乱电子少,元件的电阻变低。所以,随外部磁场而变的固定层3与 自由层1的磁化角度的相对变化,使元件的垂直于膜面方向的电阻产 生变化。若在电极5、6之间加电流,则此电阻的变化可以作为
电信号 的变化而读出。这样,CPP-GMR元件在使用时,在垂直于膜面的方向 有读出电流。
以往,作为CPP-GMR元件的非磁性层采用Cu、Ag等。可是以往用 的Cu、Ag等金属材料的电阻率在2μΩ.cm以下,作为电流垂直于膜 面的元件的非磁性层材料,该电阻率太小。用于电流垂直于膜面的元 件的非磁性层材料,其电阻率最好是在4μΩ.cm以上。
另一方面,若想从元件中获得高的MR比,则应使非磁性层材料的 电阻率低到一定程度。具体地说,电阻率应在200μΩ.cm以下,最好 是在100μΩ.cm以下。用于磁性层材料的Co、Fe的电阻率分别为 5.6、10.7μΩ.cm左右。电阻率为上述电阻率的两倍,即20μΩ.cm 以下的材料特别适于用作非磁性层材料。
从以上数值可以明显看出,在本说明书中是按整
块时的状态来说 明用于非磁性层的金属的电阻率的。通常,其厚度达到可以用在磁阻 效应元件上的薄型金属薄膜,具有由与该金属薄膜相同材料构成的金 属块的2~3倍的电阻率,此电阻率由膜厚等条件决定。所以,为了明 确适合于磁阻效应元件的材料,在此按整块时的状态说明电阻率。
非磁性层2的膜厚,应在能使隔着非磁性层的自由层1和固定层3 之间的交变相互作用变弱的范围,尤其是近乎于零的范围最好。因此, 非磁性层的膜厚应在1.2nm以上,尤其是2nm以上最好。另外,考虑 电子的旋转扩散长度,为使MR比值不下降,非磁性层的厚度应在20nm 以下,尤其是在10nm以下最好。
磁性层之间的交变相互作用,随着非磁性层厚度的增加,有时会 在强磁性(磁化方向一致)与反强磁性(磁化方向相反)之间往返着 逐渐衰减。典型例子是:如图3所示,由交变相互作用产生的磁性层 之间的磁耦合力(H coupling),随着非磁性层膜厚(T)的增加,在 强磁性耦合与反强磁性耦合之间往返着逐渐衰减。此时,非磁性层的 膜厚即使例如在上述范围(1.2~20nm)内,磁性层之间的交变相互作 用也会过于强。所以,非磁性层的膜厚不应该只设在上述范围,应该 设在图3所示的起伏的耦合力曲线与横轴的交点或其附近上。
具体地说,设定的非磁性层的膜厚,应该使自由层与固定层之间 的磁耦合力在反强磁性最强时的磁耦合力的绝对值的20%以下(|H couping|≤0.2X|-P|),最好是在10%以下。若设反强磁性的耦 合力的最大值的绝对值的20%为a,(0.2X|-P|=a),则如图3所 示,磁耦合力的范围应在-a与a之间。另外,为方便起见,如图3所 示,将磁耦合力的强磁性示为正、反强磁性示为负。
在实际的人造晶格膜中,不但要考虑间接的交变相互作用,还要 考虑由粗糙度引起的强磁性耦合(orang peel coupling)。所以, 间接的相互交变作用最好是零或在满足上述条件的范围内呈反强磁 性。
非磁性层的面积最好是在0.01μm2以下。在此,以读出电流通过 面的面积作为非磁性层的面积。若是TMR,膜面积限制到这种程度则电 阻过高。非磁性层的面积若在0.008μm2以下则更好,尤其是在0.005 μm2以下。面积的下限没有特殊限制,但一般非磁性层的面积以0.0001 μm2以上为宜。
构成非磁性层的主要成分的金属可以是金属
单体也可以是
合金。 非金属层可以含有Be、Bi、Cr、Hf、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Nb、Os、 Pd、Pt、Re、Ru、Rh、Sb、Se、Ta、Th、Ti、Tl、V、W、Y及Zr中的 至少一种。另外,也可以使用上述金属之间的合金或上述金属与其它 金属的合金。
尤其Cr是最适合用于非磁性的金属材料。Cr的电阻率高,为12.8 μΩ.cm,而且Fe/Cr的多层膜有很大的磁阻变化。所以,以Cr作为 非磁性层的主要成分时,磁性层最好是含有Fe。使用以Cr作为主要成 分的非磁性层时,最好是自由层与固定层两者之中至少有一者由一层 或两层以上的磁性膜构成,至少,与非磁性层相接的磁性膜以Fe为主 要成分。
图1所示的元件使用了两层结构的磁性层。使用多层磁性层的结 构,可以在实现与非磁性层材料的理想组合的同时,还可以顾及到其 他特性,如,磁性层的软磁性。
非磁性层2以Cr为主要成分时,在自由层1中,界面磁性层102 可以用Fe膜,磁性层101可以用比Fe的磁性软的材料膜,如,Ni-Fe膜、Ni-Fe-Co膜。还有,在固定层3中,界面磁性层301也可以用Fe膜,为了强化磁化翻转抑制层的磁化翻转抑制效果,磁性层302也可 以用Co、Co-Fe、Ni-Fe、Ni-Fe-Co膜等磁性膜。
理想的非磁性层金属材料的其它例子为Ir、Ru、及Rh。在Ir、 Ru、及Rh中至少选择一种作为非磁性层的主要成分时,磁性层最好是 含有Fe、Co、及Ni或这些金属的合金。使用在Ir、Ru、及Rh中至少 选择一种作为主要成分的非磁性层时,最好是自由层与固定层两者之 中至少有一者由一层或两层以上的磁性膜构成,至少,与非磁性层相 接的磁性膜的主要成分为Fe、Co、及Ni中的至少一种。
固定层3可以用隔着非磁性层,反强磁性地耦合在一起的一对强 磁性膜,即所谓的层叠过渡型固定层。这样可以增强固定层的磁化固 定效果。还有,因为固定层的磁化一部分被抵消,从固定层向自由层 的漏磁通减小,所以,可以调整漏磁场。此时,各强磁性层的膜厚以1~ 3nm为宜。夹在强磁性层之间的非强磁性层以Ru、Ir等为宜。此非强 磁性层的膜厚以0.3~1.2nm为宜。
磁化翻转抑制层4可以用PtMn、NiMn、PdPtMn、CrMn、FeMn等。 电极5、6的材料没有特殊限制,可以用常规的Cu等。
作为形成上述各薄膜的
基板(在图1中没有示出),可以用玻璃、 MgO、Si、Al2O3-TiC基板等表面平滑的基板。制作MR磁头时,以 Al2O3-TiC基板为宜。
在基板与上述各膜之间,根据用途适当地形成磁屏蔽罩等。另外, 为了改善磁化翻转抑制层的特性等,可以在基板与磁化翻转抑制层之 间加一层衬底层。衬底层可以用Ta、NiFe、NiFeCr合金或这些金属的 层叠膜。衬底层的膜厚以1~10nm左右为宜。
在图1所示的多层膜中,也可以不从图中的下面开始层叠,而是 上下颠倒,从图中的上面(从自由层1侧开始)开始依次层叠。各层 的成膜方法没有特殊限制,但
溅射法较适宜。溅射法可以用DC溅射法、 RF溅射法、离子束溅射法等任意一种。
本发明也适用于固定层在自由层两侧的元件。此元件如图2所示, 通过依次层叠下部电极5、磁化翻转抑制层4、固定层3、非磁性层2、 自由层1、非磁性层2、固定层3、磁化翻转抑制层4、上部电极6而 形成。此时,也可以在与非磁性层2相接的自由层1(固定层3)上设 置界面磁性层102(301)。
图4显示了利用上述本发明的磁阻效应元件的MR磁头的例子。
MR元件100被上部磁屏蔽罩(共用磁屏蔽罩)13及下部磁屏蔽罩 16夹在中间。设置这些磁屏蔽罩是为了使元件不受媒体以外的外部磁 场的影响。磁屏蔽罩的材料以Ni-Fe、Fe-Al-Si、Co-Nb-Zr合金等软 磁性膜为宜。此磁头中,磁屏蔽罩13、16还起电极的作用,使电流流 向元件。两电极之间除MR元件外还配置了绝缘膜18。如图所示,MR 元件与磁屏蔽罩之间,可以加一层
导电性的隔层20。
在此磁头中,MR元件100与导电性隔层20构成了还原缝17。
在共有屏蔽罩13上还依次层叠了构成存储缝的非磁性层14与上 部磁芯12。这些部件与线圈11一起构成了存储磁头。
在使用了CIP-GMR元件的磁头中,如图5所示,绝缘膜18作为屏 蔽间隔部件夹在MR元件200与磁屏蔽罩13、16之间。因为此MR元件 的电极19之间的读出电流流向膜面,所以应该通过绝缘膜18使元件 与屏蔽部件之间绝缘。
在图4所示的MR元件中,导电性隔层不一定非有不可。因此,如 果需要使还原缝17更加窄小,则使隔层变为薄膜型或去掉隔层即可。 但是在图5所示的MR磁头中,为了确保绝缘,绝缘膜18需要一定的 膜厚。因此,还原缝17的窄小受到限制。如此,本发明的MR磁头能 够使磁缝更加窄小。
如图6及图7所示,使用此MR磁头的硬盘装置110备有:支持MR 磁头的滑块120、支持滑块的磁头支持机构130、通过磁头支持机构跟 踪磁头的
致动器114、驱动磁盘116旋转的磁盘驱动
马达112。磁头支 持机构130包括臂122和吊架124。
磁盘驱动马达112以设定的速度驱动磁盘116旋转。致动器114 使保持MR磁头的滑块120在磁盘116的直径方向移动,以便使MR磁 头可以进入磁盘116的设定的数据磁道。致动器114例如为直线式或 旋转式的音圈马达。
支持MR磁头的滑块120例如为
空气轴承滑块。此时,滑块120在 硬盘装置110作启动/停止的工作时,与磁盘116的表面
接触。
硬盘装置110在作存储与还原工作时,形成于旋转的磁盘116与 滑块120之间的
空气轴承使滑块120维持在磁盘116的表面上。滑块 120保持的MR磁头对磁盘116进行信息的存储与还原。
实施例
实施例1
用多元溅射装置制作了图8所示结构的磁阻效应元件。基板7使 用Si、下部电极5(包括衬底层)使用Cu膜、磁化翻转抑制层4使用 Pt-Mn膜、固定磁性层302使用Co-Fe膜、界面磁性层301、102使用 Fe膜非磁性层2使用Cu膜、软磁性层101使用Ni-Fe膜、上部电极6 使用Cu膜。在溅射法的制作当中,将
真空室内的空气排到1×10-8Torr 以下后,通入Ar气,使Ar气约达到0.8mTorr。
将如此制作的元件的膜结构与膜厚同时表示如下(膜厚的单位 为:nm,以下同);
元件A:基板/Cu(500)/Pt0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/Fe(2)/ Cr(2)/Fe(1)/NiFe(10)/Cu
还有,我们知道:以Cr作为非磁性层来使用时,磁耦合因交变相 互作用,如图3所示,在强磁性耦合与反强磁性耦合之间交往返逐渐 衰减。Cr膜的膜厚在2nm时,磁耦合接近子零。
为了进行比较,用Cu作为非磁性层,按上述同样的方法制作了元 件。可是,此时,因为若在界面插入Fe层则MR比大大降低,所以没 有插入界面磁性层,而加厚了固定层和自由层。此元件的膜结构如下;
元件B:基板/Cu(500)/Pt0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(3)/Cu(2)/ NiFe(11)/Cu
将这些MR元件从成膜装置中取出后,放在1×10-5Torr以下的真空 中,施加5kOe的磁场,在250℃的
温度下放置了5小时(进行
热处理)。 然后,用(电子滤光器)使元件部分成0.1×0.1μm2,加工成可以取出 电极的形状。接着,在室温下施加最高为400KA/m的磁场,通过大小 相等的电流,用直流四端法对元件的MR特性进行评价。结果如下。电 阻变化量用以元件B为基准的相对值来表示。
(表1) 元件 MR比(%) 电阻变化 A 55 10 B 48 1
元件A与常规的元件B相比,虽然MR比的相差不大,但与输出直 接相关的电阻变化量有很大的差异。
然后,用元件A、B组成图4所示的MR磁头,进行了特性评价。 基板用了Al2O3-TiC基板,磁屏蔽罩用了Ni0.8Fe0.2合金,绝缘膜用了 Al2O3。
在这个磁头的电极(磁屏蔽罩)之间,通过作为读出电流的直流 电流,同时施加约为3KA/m的交流信号磁场,对两个磁头的输出进行 评价。结果如下。在此,以使用了元件B的MR磁头的输出为基准。
(表2) 元件 相对输出 A +6 B 0
使用了元件A的MR磁头的输出比使用了常规的元件B的MR磁头 的输出大。
(实施例2)
用与实施例1相同的方法制作了图9所示结构的MR元件。但是, 图中固定层虽然显示为一层,而实际使用了CoFe/Ru/CoFe的层叠过渡 型的固定层。基板7使用了玻璃基板,下部电极5及上部电极6使用 了Cu膜,磁化翻转抑制层4使用了Ni-Mn合金膜,非磁性层2使用了 Ru膜,自由层1使用了Co0.9Fe0.1合金。没有形成界面磁性层。此元件 的膜结构如下;
元件C:基板/Cu(500)/Ta(3)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/
Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(3)/Ru(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Ru(2.5)/Co0.9Fe0.1
(3)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu
另外,Ta膜采用了改善磁化旋翻抑制层的特性的衬底膜。同样, 还制作了使用了Ir及Rh的膜作为非磁性层。
元件D:基板/Cu(500)/Ta(3)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/
Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(3)/Ir(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Ir(2.5)/
Co0.9Fe0.1(3)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu
元件E:基板/Cu(500)/Ta(3)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/
Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(3)/Rh(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Rh(2.5)/
Co0.9Fe0.1(3)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu
另外,作为非磁性层使用Ru、Rh、或Ir时,与使用Cr时相同, 磁耦合因交变相互作用,随着非磁性膜的增加,在强磁性耦合与反强 磁性耦合之间往返着逐渐衰减。此磁耦合在上述Ru等膜厚为2.5nm 时,交变相互作用充分衰减,与使用Cr膜时(实施例1)一样,满足 |H couping|≤0.2X|P|的关系。
为了进行比较,用相同的方法制作了非磁性层使用了Cu的膜。
元件F:基板/Cu(500)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/
Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(3)/Cu(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Cu(2.5)/
Co0.9Fe0.1(3)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu
将如此制作的MR元件进行热处理、成形后,用与实施例1相同的 方法通以垂直于膜面的电流,测定了MR效果。结果如表3。电阻变化 量用以元件F为基准的相对值表示。
(表3) 元件 MR比 电阻变化 C 41 4 D 55 7 E 39 5 F 58 1
从表3可知,元件D~E比常规的元件F的电阻变化量大,因此可 以获得大的输出。
本发明的MR元件可以用窄的缝而获得大的输出。所以,利用此MR 元件的磁阻磁头和磁信息存储与还原装置能适用于高密度存储的设 备。