法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2010-11-03
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G11B5/39 授权公告日:20061108 申请日:20040727
专利权的终止
2006-11-08
授权
授权
2005-05-11
实质审查的生效
实质审查的生效
2005-03-09
公开
公开
技术领域
本发明涉及磁电阻效应膜，使用所述膜的磁电阻效应磁头，和使用所述膜的固态存储器。
背景技术
硬盘的记录密度每年增长100％。为持续增长记录密度，必须使组装在硬盘驱动器部件中的再生磁头沿隙宽方向的分辨率得到提高，必须使再生磁头的磁电阻效应元件沿轨道方向的宽度更窄。从而，在传统再生磁头中，通过将隙宽制得短来提高分辨率，使元件宽度制得更窄。
磁电阻效应膜如图10和11所示。有两种类型的磁电阻效应元件用于硬盘驱动器部件的再生磁头。一种是CIP(面内电流，CurrentIn-Plane)型，其中传感电流在磁电阻效应膜的平面内通过(参看图10)；另一种是CPP(垂直面电流，Current Perpendicular to Plane)型，其中传感电流垂直通过磁电阻效应膜(参见图11)。
在如图10所示的磁电阻效应磁头中，磁电阻效应膜10夹在下绝缘层12和上绝缘层14之间，此外还将他们夹在下屏蔽层16和上屏蔽层18之间。磁电阻效应磁头具有偏置层22和终端层24。
在另一方面，在如图11所示的磁电阻效应磁头中，磁电阻效应膜10夹在下屏蔽层16和上屏蔽层18之间。磁电阻效应磁头具有绝缘层20和偏置层22。
将涉及再生信号分辨率的隙宽限定为在下屏蔽层和上屏蔽层之间的最窄间隙的距离，在此之间夹有磁电阻效应元件。在CIP型磁头中，间隙为下屏蔽层，磁电阻效应膜和上屏蔽层的厚度总和；在CPP型磁头中，间隙为包括终端层的磁电阻效应膜的厚度。将隙宽制得越窄，则越会提高再生磁头的分辨率。因此，使磁电阻效应膜的厚度制得更薄，以提高再生磁头的分辨率。
下面，将对通过减小磁电阻效应膜厚度而有效降低磁电阻效应元件宽度进行描述。
制造CIP型磁头的方法如图12A～12F所示。注意，CPP型磁头通过相似的方法而制造。首先，形成下屏蔽层16和下绝缘层12，然后通过溅射在下绝缘层12上形成磁电阻效应膜30(参见图12A)。其次，通过光刻形成抗蚀图案32，抗蚀图案32限定了磁电阻效应元件的宽度(参见图12B)。抗蚀图案32的宽度，例如，为0.05～0.2μm。
接下来，通过离子束蚀刻磁电阻效应膜30(参见图12C)。此时，抗蚀图案32作为掩膜。通过离子束溅射蚀刻未覆盖有抗蚀图案32的部分磁电阻效应膜30，一部分溅射原子粘在抗蚀图案32的侧壁上。例如，在效应厚度为38nm的磁电阻效应膜30的情形中，粘附原子的厚度为16～28nm。磁电阻效应膜30蚀刻得越严重，粘附原子的厚度就会变得越厚。因此，如果磁电阻效应膜30的厚度较薄，粘附原子的厚度就可能薄。
经过蚀刻步骤之后，形成控制磁电阻效应膜30磁性区的硬膜和将作为用于提供电流的终端的溅射膜34(参见图12D)，然后连同抗蚀剂一起去除无用的部分(参见图12E)。最后，形成上绝缘层14和上屏蔽层18(参见图12F)。
在如图12D所示步骤中，如果溅射膜34的厚度很厚，从硬膜和终端至磁电阻效应元件的距离较长，从而元件的总宽度必须更大。例如，在效应厚度为38nm的磁电阻效应膜30的情形中，粘附原子在一个侧面上厚度为16～28nm。因此，元件的宽度必须加上0.032～0.056nm。由于传统元件的宽度为0.1～0.2，附加的宽度较大。为有效防止形成更宽的元件，应使磁电阻效应膜30的总厚度更薄。
制造具有薄磁电阻效应膜(其厚度比在图12A～12F所示方法中所用磁电阻效应膜的厚度更薄)的CIP型磁头的方法如图13A～13F所示。
如果磁电阻效应膜的总厚度较薄，在如图13C所示蚀刻步骤中所形成的粘附层的厚度通常与磁电阻效应膜10的总厚度呈正比。例如，对于厚度从34.6nm减小至19.6nm的磁电阻效应膜10的情形，可将粘附层的厚度从16～28nm减小至9～16nm。因此，可将如图13E所示芯的宽度减小至38nm或更小。抗蚀图案的宽度为50～200nm，从而，可减少的宽度成为减小芯宽度的重要因素。此外，如果将磁电阻效应膜制得更薄，也就会使隙宽制得更短。例如，如果绝缘层12和14的厚度为18nm，如图12F所示再生磁头的隙宽为70.6nm；另一方面，如图13F所示再生磁头的隙宽为55.6nm。也就是，使用薄磁电阻效应膜可使隙宽缩短22％。
如上所述，薄磁电阻效应膜能够缩短芯宽度和隙宽。通常，使用厚约10～15nm的反铁磁层来固定在磁电阻效应膜中钉扎磁性层的磁化方向，从而难以使磁电阻效应膜30的总厚度制得更小。CIP磁头的普通磁电阻效应膜的结构为，例如，NiCr 5.0nm/PtMn 13.0nm/CoFe1.5nm/Ru 0.8nm/CoFe 2.3nm/Cu 2.0nm/CoFe 1.0nm/NiFe 3.0nm/Ru 1.0nm/Ta 5.0nm。因此，总厚度为34.6nm。另一方面，CPP磁头的普通磁电阻效应膜的结构为，例如，NiCr 5.0nm/PtMn 13.0nm/CoFe 1.5nm/Ru 0.8nm/CoFe 2.3nm/Cu 2.0nm/CoFe 1.0nm/NiFe2.0nm/CoFe 1.0nm/Cu 2.0nm/CoFe 2.3nm/Ru 0.8nm/CoFe 2.0nm/PtMn 13.0nm/Ta 5.0nm。因此，总厚度为53.7nm。
在CIP磁头中，磁电阻效应膜总厚度的38％(在CPP磁头中为48％)为PtMn。为具有足够的反铁磁特性，必须使PtMn的厚度为13nm或更多。因此，难以制成包含有PtMn的薄磁电阻效应膜。也就是，反铁磁层的厚度约占传统磁电阻效应膜总厚度的50％，且其不可能比规定厚度更薄又具有足够的功能，从而使减小磁电阻效应膜的厚度受到限制。
发明内容
本发明的第一目的在于，提供能够在不采用反铁磁层的条件下实现足够功能的磁电阻效应膜。
第二目的在于，提供具有较窄芯宽度以实现高分辩率的磁电阻效应磁头。
为实现上述目的，本发明采用以下结构。
即，磁电阻效应膜包括：籽晶层；第一钉扎磁性层，形成在籽晶层上；反铁磁耦合层，形成在第一钉扎磁性层上；第二钉扎磁性层，形成在反铁磁耦合层上；非磁性层，形成在第二钉扎磁性层上；自由磁性层，形成在非磁性层上；和保护层，形成在自由磁性层上，其中，籽晶层作为钉扎层，其固定第一钉扎磁性层和第二钉扎磁性层的磁化方向，且籽晶层由不与第一钉扎磁性层交换耦合的材料制成。
例如，籽晶层由钽(Ta)或包含钽的合金制成，第一钉扎磁性层与第二钉扎磁性层之间的总磁矩差为0.7～1.4T·nm。而且，籽晶层由钽(Ta)或包含钽的合金制成，第一钉扎磁性层与第二钉扎磁性层的总磁矩比值为1.15～1.45。
优选是，籽晶层由镍铬(NiCr)合金或镍铁铬(NiFeCr)合金制成，在NiCr合金或NiFeCr合金中镍的浓度为55～65mol％，第一钉扎磁性层和第二钉扎磁性层之间的总磁矩差为0.7～1.4T·nm。而且，籽晶层由镍铬(NiCr)合金或镍铁铬(NiFeCr)合金制成，在NiCr合金或NiFeCr合金中镍的浓度为55～65mol％，第一钉扎磁性层与第二钉扎磁性层的总磁矩比值为1.15～1.45。
例如，籽晶层具有第一面和第二面，第一钉扎磁性层形成在籽晶层的第一面上，在籽晶层的第二面上不形成任何反铁磁层或铁磁层。第一钉扎磁性层由钴铁(CoFe)合金制成，其中，钴的浓度为35～71mol％，或由钴铁和第三元素的合金制成，其中，钴的浓度为35～71mol％，钉扎磁性层的饱和磁化强度与其厚度的乘积为3～7T·nm。反铁磁耦合层由钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)、铬(Cr)或它们的合金制成。而且，第一钉扎磁性层的矫顽力为50Oe或更大。
本发明的磁电阻效应磁头包括：下屏蔽层；本发明的磁电阻效应膜，形成在下屏蔽层上；和上屏蔽层，形成在磁电阻膜上。
此外，本发明的磁电阻效应膜可用于固态存储器中。
在本发明的磁电阻效应膜中，采用作为钉扎层的籽晶层替代反铁磁层来固定第一钉扎磁性层和第二钉扎磁性层的磁化方向。籽晶层可比反铁磁层更薄，磁电阻效应膜可实际制得更薄。因此，能够使磁电阻效应膜的芯宽度和隙宽更短。
通过采用本发明的磁电阻效应膜，可将磁电阻效应磁头用在包括高记录密度记录介质的盘驱动部件中。
附图说明
现在，将参照附图以示例方式描述本发明的实施例，其中：
图1的示意图显示出本发明的磁电阻效应膜的结构；
图2的曲线表示不包含籽晶层的磁电阻效应膜的MR比；
图3的曲线表示包含由Cu制成籽晶层的磁电阻效应膜的MR比；
图4的曲线表示包含由Ru制成籽晶层的磁电阻效应膜的MR比；
图5的曲线表示包含由Ta制成籽晶层的磁电阻效应膜的MR比；
图6的曲线表示包含由NiCr制成籽晶层的磁电阻效应膜的MR比；
图7的曲线表示包含由NiCr/Ta制成籽晶层的磁电阻效应膜的MR比；
图8的曲线表示ρ-H特性随籽晶层NiCr中Ni含量的变化；
图9的曲线表示磁电阻随第一钉扎磁性层CoFe中Co含量的变化；
图10的示意图显示CIP型磁电阻效应膜的结构；
图11的示意图显示CPP型磁电阻效应膜的结构；
图12A～12F的示意图显示制造CIP型磁电阻效应磁头的方法；
图13A～13F的示意图显示制造具有薄磁电阻效应膜的CIP型磁电阻效应磁头的方法；和
图14的曲线表示双自旋阀膜的ρ-H特性。
具体实施方式
下面，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
该实施例的磁电阻效应膜的特征在于籽晶层，该籽晶层形成作为基层，并且替代传统反铁磁层作为用来固定钉扎磁性层磁化方向的钉扎层。
如图1所示，该实施例的磁电阻效应膜由以下构成：籽晶层；第一钉扎磁性层；反铁磁耦合层；第二钉扎磁性层；非磁性层；自由磁性层；和保护层。
籽晶层的优选材料为Ta，包含Ta的合金，NiCr合金和NiFeCr合金。下面将对这些材料的优点做以说明。
图2～7显示出由不同材料制成籽晶层的磁电阻效应膜的磁电阻特性(ρ-H)。将籽晶层形成作为第一钉扎磁性层，如Co65Fe35，的基层。每个磁电阻效应膜的结构如下：籽晶层5.0nm/Co65Fe35 2.0nm/Ru0.8nm/CoFe 1.9nm/Cu 1.9nm/CoFe 1.0nm/NiFe 2.0nm/Ta 5.0nm。注意，在该示例中，Co65Fe35 2.0nm的层为第一钉扎层；Ru 0.8nm的层为反铁磁耦合层；CoFe 1.9nm的层为第二钉扎磁性层；Cu 1.9nm的层为非磁性层；CoFe 1.0nm和NiFe 2.0nm的层构成自由磁性层；以及Ta 5.0nm的层为保护层。
在图2的情形中，没有形成基层；在图3的情形中，基层由Cu制成；在图4的情形中，基层由Ru制成；在图5的情形中，基层由Ta制成；在图6的情形中，基层由NiCr制成；以及在图7的情形中，基层由NiCr/Ta(即，NiCr层和Ta层，Ta层的厚度为5.0nm，且形成在NiCr层上)构成。
根据曲线图2～7，在采用Ta和NiCr作为基层(籽晶层)材料的情形中，ρ-H特性具有单向各向异性。电阻变化率为11％或更多。磁电阻效应膜的总厚度为19.6nm，从而比传统膜薄15nm。
可在籽晶层下形成由不同材料制成的另一基层。如图7所示，使用NiCr/Ta籽晶层，ρ-H特性具有单向各向异性。由于Ta籽晶层与第一钉扎磁性层接触，即便在Ta籽晶层下形成另一基层(例如，NiCr)，也能够实现单向各向异性。在由NiCr制成籽晶层的情形中，可获得相同的效果。
图8的曲线表示ρ-H特性随籽晶层NiCr中Ni浓度的变化。当Ni含量为55～65mol％时，可获得高MR比率。也就是，在采用NiCr作为籽晶层的情形中，优选的Ni浓度为55～65mol％。在采用NiFeCr作为籽晶层的情形中，优选的Ni浓度为55～65mol％。
第一钉扎磁性层(CoFe)的优选Co浓度为35～71mol％。为改善磁电阻效应，可向第一钉扎磁性层的CoFe合金添加第三种金属性元素，例如B，C，N，O，Si，V，Cr，Mn，Ni，Cu，Nb，Mo，Ru，Rh，Pd，Ta，W，Ir，Pt。此外，可采用包含有四种或更多金属性元素的合金作为第一钉扎磁性层。
为增强磁电阻效应，第二钉扎磁性层(CoFe)的优选Co浓度约为90mol％。第一钉扎磁性层和第二钉扎磁性层均可由成分不同的多个CoFe层，或由包含CoFe的三元合金制成的多层膜，等形成。
下面将描述Co浓度为35～71mol％的第一钉扎磁性层。图9的曲线表示磁电阻随第一钉扎磁性层CoFe中Co浓度的变化。根据该曲线，当Co浓度为35～71mol％时，可获得高MR比率，这是由于在Co含量范围内使单向各向异性增大。
下面，将描述第一钉扎磁性层和第二钉扎磁性层的总磁矩。磁矩由以下公式限定：
(磁矩)＝(饱和磁化强度：Bs)×(磁性层的厚度：tmag)-(静磁层厚度：tdead)
注意，“tmag”为磁性层的物理厚度；“tdead”为其中无磁化强度的从磁性层与非磁性层之间界面的范围(例如，0～2nm)。
总磁矩为各层磁矩的总和。
在该实施例中，第一钉扎磁性层和第二钉扎磁性层之间的总磁矩差为0.7～1.4T·nm，或第一钉扎磁性层与第二钉扎磁性层的总磁矩比值(即，第一钉扎磁性层的总磁矩/第二钉扎磁性层的总磁矩)为1.15～1.45。
磁特性与总磁矩的关系如表1所示。
表1
当差为0.73～1.37T·nm，以及总磁矩比值为1.15～1.45时，观测到单向各向异性。下面将对总磁矩的差和比值做以说明。
在该实施例的磁电阻效应膜中，在籽晶层和第一钉扎磁性层之间的交换耦合导致单向各向异性。在差(正数)较大(例如，第一钉扎磁性层的总磁矩较大)的情形中，如果交换耦合固定，对第一钉扎磁性层起作用的钉扎场与第一钉扎磁性层的总磁距呈反比，从而削弱了单向各向异性。
另一方面，差为0.7或更小时，第二钉扎磁性层与第一钉扎磁性层通过反铁磁耦合层交换耦合，从而固定其磁化方向。因此，如果差较小(例如，第二钉扎磁性层的总磁距较大)，来自第一钉扎磁性层的钉扎场与第一钉扎磁性层的总磁距呈反比，从而同样削弱了单向各向异性。根据实验得出，差的优选范围为0.7～1.4T·nm。
此外，可用第一钉扎磁性层与第二钉扎磁性层之间的总磁矩比值来表示差的优选范围。根据实验得出，该比值的优选范围为1.15～1.45。
表2显示出由CoFeRu制成第一钉扎磁性层的磁电阻效应膜的ρ-H特性与Ru的关系。
表2
注意，调节第二钉扎磁性层的厚度，以便使总磁矩差为0.9～1.2T·nm。
根据表2，通过对第一钉扎磁性层添加Ru使MR比值和电阻变化量ΔRS增大。CoFe合金的电阻率较小，例如，20μΩcm，从而一部分传感电流通过第一钉扎磁性层，这并不会对磁电阻效应产生作用。因此，出现旁路损失效应(loss of shunt effect)。在另一方面，通过向第一钉扎磁性层(CoFe)加入Ru，可使电阻率增加至50μΩcm，从而削弱旁路损失效应，并改善磁电阻效应。该效应可通过向CoFe合金添加其他金属性元素如B，C，N，O，Si，V，Cr，Mn，Ni，Cu，Nb，Mo，Rh，Pd，Ta，W，Ir，Pt来实现。
可将磁电阻效应膜用在CPP型磁头中。在该情形中同样可省略反铁磁层。从而使芯宽度和隙宽同CIP型磁头一样更短。
该实施例的磁电阻效应膜可用于固态存储器中，如MRAM。与磁头元件一样，通过使用磁电阻效应膜可实现其尺寸为0.1μm或更小的存储器元件，从而能够提高固态存储器的容量。
此外，还可将该实施例的磁电阻效应膜的结构应用到双自旋阀膜，以便改善磁电阻效应。普通双自旋阀膜的结构，例如，NiCr 5.0nm/PtMn 13.0nm/CoFe 1.5nm/Ru 0.8nm/CoFe 2.3nm/Cu 2.0nm/CoFe1.0nm/NiFe 2.0nm/CoFe 1.0nm/Cu 2.0nm/CoFe 2.3nm/Ru 0.8nm/CoFe 2.0nm/PtMn 13.0nm/Ta 5.0nm。因此，总厚度为53.7nm。
另一方面，该实施例双自旋阀膜的结构，例如，Ta 5.0nm/Co65Fe352.0nm/Ru 0.8nm/CoFe 1.9nm/Cu 2.0nm/CoFe 1.0nm/NiFe 2.0nm/CoFe 1.0nm/Cu 2.0nm/CoFe 1.9nm/Ru 0.8nm/Co65Fe35 2.0nm/Ta5.0nm。因此，总厚度为35.3nm。也就是，相对于普通膜可减少厚度的35％。双自旋阀膜的ρ-H特性如图14所示。根据图14，MR比值增大12％至15％，输出功率增加20％。
在不偏离本发明精神和重要特征的前提下，可采用其他具体形式实现本发明。因此，在任何意义上，将这些实施例认为是示意性的，而非具有限定性，本发明的范围如所附权利要求表示，而并非为上述描述所表示，因此，在此意在包括权利要求等效内涵和范围内的所有变化。
机译： 铁磁电阻效应元件
机译： 铁磁电阻效应元件
机译： 磁阻效应膜，其生产，使用膜和磁阻效应型磁头的磁阻效应元件
