专利名称：磁阻效应元件,磁头和磁记录/再现设备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及磁阻效应元件，磁头和磁记录/再现设备，其中所述磁阻效应元件检测在使传感电流(sense current)沿垂直于磁阻效应膜的膜面的方向流过时的磁性。
背景技术：
近年来，硬盘驱动器(HDD)已经快速地朝向减小尺寸和高密度的方向前进，但人们仍然期望它的密度今后更高。HDD的高密度化可以通过缩小记录磁道宽度以增加磁道密度来实现。可是，如果磁道宽度变窄，则记录磁化强度，即，记录信号变小，因而必须提高再现介质信号用的MR磁头(磁阻磁头)的再现灵敏度。
最近，已经采用了利用巨磁阻(GMR)效应的包含高灵敏度自旋阀膜(spin-valve film)的GMR磁头(巨磁阻磁头)。自旋阀膜(也称“自旋相关散射单元(spin-dependent scattering unit)”)是具有夹层结构的多层膜，其中在两个铁磁层之间夹着一个非磁性隔离层。在两个铁磁层中，一个铁磁层(称“被钉扎层(pinned layer)”或“固定磁化层(fixed magnetization layer)”)的磁化方向由反铁磁层(anferromagnetic layer)或类似层固定，另一个铁磁层的磁化方向可根据外部磁场发生变化。在自旋阀膜中，通过改变两个铁磁层的磁化方向之间的相对角获得巨磁阻效应。
常规的自旋阀膜型GMR磁头具有使传感电流平行于膜面流过的CIP(面内电流，current in plane)结构(CIP-GMR元件)。另一方面，使传感电流垂直于膜面流过的CPP(电流垂直于平面)结构GMR元件的(CPP_GMR元件)也引起了注意，因为CPP-GMR元件的GMR效应比CIP-GMR元件的更大。
可是，在最可能作为装置实现的自旋阀膜结构的情况下，被钉扎层/非磁性中间层/自由层(自旋相关散射单元)是自旋相关的层，它们的总膜厚非常薄，随着界面数量的减小，因此在CPP-GMR元件中，当电流垂直流过时的元件电阻非常小。结果，所得到的电阻变化量，即，输出很小，尽管磁阻效应本身很大。为了将自旋阀膜结构的CPP-GMR元件投入实用，重要的是增加自旋相关散射单元的电阻值和使电阻变化量巨大。此外，重要的是使用具有巨大自旋相关散射效应的材料作为被钉扎层和自由层的磁性材料。
确定的是，在其中全部被钉扎层/非磁性中间层/自由层(自旋相关散射单元)都是由金属组成的金属CPP-GMR元件中，自旋相关界面散射效应通过把自由层或被钉扎层的磁性材料从常规的fcc结构的Co10Fe10改变成bcc结构的Fe50Co50而增大，而自旋相关体散射效应通过把另外的薄Cu插入到磁性层中而增大。(参见例如J.Appl.Phys.，92，2646(2002)，J.Appl.Phys.，93，7915(2003))。可是，电阻变化量dRA和MR变化率之值相对所要求的性能在200Gbpsi或更大来说仍然不够。
同时，为了增加CPP-GMR元件的自旋相关散射单元的电阻值，提出一种CPP-GMR元件，其中包含沿垂直于膜面的方向的电流通道(CCP电流限制通道，current-confined-path)的氧化层(NOLNano Oxide Layer，毫微氧化层)用作非磁性中间层(参见例如JP-A 2002-208744(KOKAI))。以下称这种元件叫CCP-CPP元件。在CCP-CPP元件中，自旋相关散射单元的电阻值增大，电阻变化量也增大，借助于使电流仅仅流入电流通道部分而其它部分没有电流流入的电流限制通道效应。
在CCP-GMR元件中，当电流垂直流过时，CCP-NOL部分的总电阻比率很高，因而，CCP-GMR元件的面积(area)电阻RA和电阻变化量RA基本上限定在CCP-NOL隔离层的附近。因此，自旋相关散射的界面散射效应具有的影响比体散射效应的更大。即，在CCP-CPP元件中，使用具有很大自旋相关界面散射效应的材料作为自由层或被钉扎层的磁性层材料能有效地实现高MR变化率。
通过使用已经证实在金属CCP-CPP元件中具有很大自旋相关界面散射效应的bcc结构的Fe50Co50’作为CCP-CPP元件的自由层或被钉扎层的磁性层，证实具有高电阻变化量和MR变化率(参见Appl.Phys.Lett.，87，082507(2005))。
JP-A 2005-259976(KOKAI)中公开了一种技术，即通过在自由层上设置由在最邻近的原子之间具有很大距离的元件组成的盖层(cap layer)来抑制和修复晶状的恶化。在上述JP-A 2002-208744(KOKAI)中，还公开了一种技术，即在被钉扎层、自由层和非磁性中间层中的至少任意一层中设置有电阻控制层。
发明内容
这里，希望提高磁阻效应元件的可靠性。例如，在使传感电流流入磁阻效应元件时引起的MR变化率随时间的变化希望是很小的。
考虑到上述说明，本发明的目的是提供一种磁阻效应元件，其意在降低在使传感电流流过时引起的MR的变化率随时间的变化，以及该磁阻效应元件的制备方法。
根据第一方式的磁阻效应元件包括固定磁化层，其磁化方向实际上固定在一个方向上；自由磁化层，其磁化方向根据外部磁场发生变化；非磁性隔离层，其设置在固定磁化层和自由磁化层之间，并包括第一绝缘层，和贯穿第一绝缘层的第一电流通道；和插入层，其设置在自由磁化层的与非磁性隔离层相反的一侧上，其中，第一绝缘层具有包含选自由Al(铝)、Si(硅)、Mg(镁)、Ta(钽)和Zn(锌)构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物、氧氮化物作为主要成分，以及，插入层具有包含选自由Al(铝)、Si(硅)、Mg(镁)、Ta(钽)和Zn(锌)构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物、氧氮化物作为主要成分。
根据第二方式的磁阻效应元件包括固定磁化层，其磁化方向实际上固定在一个方向上；自由磁化层，其磁化方向根据外部磁场发生变化；非磁性隔离层，其设置在固定磁化层和自由磁化层之间，并包括第一绝缘层，和贯穿第一绝缘层的第一电流通道；和插入层，其设置在自由磁化层背向非磁性隔离层的一侧上，其中，第一绝缘层具有包含Ti(钛)的氧化物、氮化物、氧氮化物作为主要成分，以及，插入层具有包含Ti(钛)的氧化物、氮化物、氧氮化物作为主要成分。
根据第三方式的磁阻效应元件包括固定磁化层，其磁化方向实际上固定在一个方向上；自由磁化层，其磁化方向根据外部磁场发生变化；非磁性绝缘隔离层，其设置在固定磁化层和自由磁化层之间；电流限制层(current confining layer)，其插入到自由磁化层中，并包括第一绝缘层，和贯穿第一绝缘层的第一电流通道；和插入层，其设置在自由磁化层背向非磁性绝缘隔离层的一侧上，其中，第一绝缘层具有包含选自由Al(铝)、Si(硅)、Mg(镁)、Ta(钽)和Zn(锌)构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物、氧氮化物作为主要成分，以及，插入层具有包含选自由Al(铝)、Si(硅)、Mg(镁)、Ta(钽)和Zn(锌)构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物、氧氮化物作为主要成分。
根据第四方式的磁阻效应元件包括固定磁化层，其磁化方向实际上固定在一个方向上；自由磁化层，其磁化方向根据外部磁场发生变化；非磁性绝缘隔离层，其设置在固定磁化层和自由磁化层之间；电流限制层，其插入到自由磁化层中，并包括第一绝缘层，和贯穿第一绝缘层的第一电流通道；和插入层，其设置在自由磁化层背向非磁性绝缘隔离层的一侧上，其中，第一绝缘层具有包含Ti(钛)的氧化物、氮化物、氧氮化物作为主要成分，以及，插入层具有包含Ti(钛)的氧化物、氮化物、氧氮化物作为主要成分。
图1是表示根据第一实施方式的磁阻效应元件的截面的剖视图；图2是表示不设有薄膜插入层的CCP-CPP自旋阀膜的内部应力的理论曲线图；图3是表示其中插入了薄膜插入层的CCP-CPP自旋阀膜的内部应力的理论曲线图；图4是表示在第一实施方式中的设置有金属层22的磁阻效应元件的截面的剖视图；图5是表示在第一实施方式中的顶端型(top type)磁阻效应元件的截面的剖视图；图6是表示在第一实施方式中的设置有金属层22的顶端型磁阻效应元件的截面的剖视图；图7是表示根据第二实施方式的磁阻效应元件的截面的剖视图；图8是表示薄膜插入层的制备工序的一个实例的流程图；图9是表示根据所述实施方式的磁阻效应元件被并入到磁头中的状态时的示图；图10是表示根据本发明的实施方式的磁阻效应元件被并入到磁头中的状态时的示图；图11是表示作为实例的磁记录/再现设备的简单构成的主要部分透视图；图12是从磁盘一侧观看时，在致动器臂的末端的磁头万向接头组件(gimbal assembly)的放大透视图；图13是表示根据本发明的实施方式的磁存储器的矩阵形构成的一个实例的示图；图14是表示根据本发明的实施方式的磁存储器的矩阵形构成的另一个实例的示图；图15是表示根据本发明的实施方式的磁存储器的主要部分剖视图；图16是表示沿图15中的A-A’线的剖视图；
图17是表示根据本发明的实施方式的在自由层中具有电流限制层的隧道磁阻效应元件的截面的剖视图；图18是表示根据本发明的实施方式的隧道磁阻效应元件的截面的剖视图。
具体实施例方式
(第一实施方式)下面，结合附图描述本发明的实施方式。
图1是表示根据第一实施方式的磁阻效应元件(CCP-CPP元件)的截面的剖视图。图1所示的磁阻效应元件具有下电极(lower electrode)11，基础层(foundation layer)12，钉扎层(pinning layer)13，被钉扎层(pinnedlayer)14，金属层15，隔离层(CPP-NOL)16，金属层17，自由层18，薄膜插入层19，盖层20和上电极21，它们形成在基底上。其中，被钉扎层14，隔离层16和自由层18对应于通过将非磁性隔离层16夹在两个铁磁层之间而形成的自旋阀膜(自旋相关散射单元，spin-dependent scattering unit)。隔离层16包括绝缘层161和贯穿绝缘层161的电流通道162。
在该实施方式中，薄膜插入层19设置在自由层18和盖层20之间，所以即使在实施长时间的电流激励(current energization)时，也不会发生磁阻效应元件的MR变化率降低。
下面将说明磁阻效应元件的构成。
下电极11是用于使电流沿垂直于自旋阀膜的方向流过的电极。在下电极11和上电极21之间施加电压，因此，电流沿垂直于自旋阀膜的方向流过该膜的内部。通过检测因电流引起的磁阻效应产生的电阻的变化，可以检测磁场。
基础层12可以分成例如缓冲层12a和籽晶层12b。缓冲层12a用于减小下电极11的表面粗糙度。籽晶层12b用于控制在其上淀积的自旋阀膜的晶体取向和晶粒尺寸。
钉扎层13具有施加单方向各向异性给淀积在其上的作为被钉扎层14的铁磁层以固定磁化的作用。关于钉扎层13的材料，可以使用反铁磁材料。
被钉扎层14可以形成由下被钉扎层141、磁偶合中间层142和上被钉扎层143组成的合成被钉扎层。钉扎层13和直接位于其上的下被钉扎层141交换磁偶合(exchange-magnetim coupled)以具有单方向各向异性。在磁偶合中间层142之下和之上的下被钉扎层141和上被钉扎层143彼此极强地磁偶合以致于彼此的磁化方向变成反平行。
磁偶合中间层142具有使在其之上和之下的磁性层(下被钉扎层141和上被钉扎层143)反铁磁偶合以形成合成钉扎(pin)结构的作用。
上被钉扎层143是形成自旋相关散射单元的一部分的磁性层，直接对MR效应起作用。
金属层15用于形成电流通道162，是电流通道162的所谓供应源。但是在电流通道162形成之后，金属层15就不必再保留作为明确的(definite)金属层。
隔离层(CCP-NOL)16具有绝缘层161和电流通道162。隔离层16、金属层15和金属层17可全部视为隔离层16。
绝缘层161由氧化物、氮化物、氧氮化物等组成。作为绝缘层161，可以采用诸如Al2O3的非晶结构和诸如MgO的晶体结构。
电流通道162用于限定电流，起到使电流在绝缘层161的层方向流过的导体的作用，可以由例如非磁性金属比如Cu等构成。即，隔离层16具有电流限定通道结构(CCP结构)，能够借助于电流限定通道效应增加元件电阻和MR变化率。
上金属层17起障碍层(barrier layer)的作用，保护沉积在其上的自由层18防止其在与隔离层16的氧化物接触时被氧化，和具有使自由层18的结晶化更有利的作用。
根据隔离层16的材料和自由层18的材料，可以不一定设置上金属层17。通过优化退火条件，选择隔离层16的绝缘层161的材料、自由层18的材料等，可以避免结晶性(crystallinity)恶化，以及可以不必在隔离层16上形成金属层17。
可是，考虑到制造上的误差，优选在隔离层16上形成金属层17。
自由层18具有磁化方向随外部磁场发生变化的铁磁物质。
帽层20具有保护自旋阀膜的作用。
上电极21用于使电流沿垂直于自旋阀膜的方向内流过。在下电极11和上电极21之间施加电压，由此使沿垂直于自旋阀膜的方向的电流流入到自旋阀膜的内部。
(薄膜插入层19)下面详细描述薄膜插入层19。薄膜插入层19是用以控制在自旋阀膜内部的应力，和防止自旋阀膜因内部应力而恶化。
A.磁阻效应元件因应力而恶化下面将说明自旋阀膜因应力而变坏的机理。
在CCP-CPP自旋阀膜中，隔离层16插入到具有多个薄金属膜的层叠薄膜中。隔离层16包括由例如氧化物组成的绝缘层161。氧化物或类似物的绝缘体一般具有的应力比金属的更大。因而，在CCP-CPP自旋阀膜中，相邻于隔离层16的金属层17接收来自隔离层16的比其自身的内部应力更大的应力。即，在相邻于隔离层16的金属层17的附近区域由于具有很大的应力分布而处于不稳定状态。
通过对磁阻效应元件(CCP-CPP元件)电流激励，发生根据焦耳定律的热生成。这时，热量的温度增加值与所施加的电压和电流的乘积成正比。在CCP-CPP元件中，隔离层16的电阻与总电阻的比值很大，因而，施加的电压基本上被添加到隔离层16上。电流被限定在隔离层16中，因而，在电流通道162中的局部电流密度变得非常高。即，在CCP-CPP自旋阀膜中的电流通道162处于高压和高电流密度中，可以期望焦耳热在局部发生。
当由于电流激励而在隔离层16的附近发生热生成时，在其邻近的原子的运动增强，发生与内部应力一致的原子迁移。这里，在相邻于隔离层16的金属层17中，应力分布很大，因而，原子的迁移长度出现一个分布。结果，在隔离层16和相邻的金属层17的界面出现了发生晶格失配、原子混合和粗糙度增加的可能性。这些现象导致自旋相关界面散射效应降低。
如上所述，在CCP-CPP元件中，在隔离层16附近的电阻与总电阻的比值很大。因而，在隔离层16附近的自旋相关界面散射对MR变化率所起的作用很大。即，有可能在隔离层16附近的界面结构的恶化直接关联到MR变化率的恶化。
B.通过薄膜插入层19的应力控制为了说明薄膜插入层19的效果，先示出CCP-CPP自旋阀膜在有和无薄膜插入层19时的内部应力的差别。
(1)无薄膜插入层19的情况图2是表示无薄膜插入层19时的CCP-CPP自旋阀膜的内部应力理论曲线图。图2中(a)表示隔离层16到盖层20的剖面。图2中(b)表示在隔离层16到盖层20的各个层中的材料的特定内部应力(实线)和每个层接收到的来自相邻层的应力(虚线)。图2中(c)表示在隔离层16到盖层20的每个层中的实际内部应力。这里，图2中(b)和(c)的纵轴对应于(a)中的CCP-CPP元件的剖视图。在图2中，以具有压应力的隔离层16视为一个实例。
如图2(b)中的实线所示，隔离层16具有压应力，其上的金属层(金属层17，自由层18，盖层20)具有较弱的张应力。如图2(c)中的虚线所示，隔离层16和其上的金属层，由于它们自身的材料的特定应力的作用或反作用，接收作为外部应力的相邻层各自具有的应力。因此，在CCP-CPP自旋阀膜的中的应力实际上是图2(b)中的实线和虚线之和，并在图2(c)示出。
如图2的(c)中所示，内部应力值从隔离层16和金属层17之间的界面到自由层18发生突变。如上所述，内部应力的突变(分布)导致自旋相关界面散射效应降低，比如在由电流激励时的热生成引起原子迁移的场合下，晶格失配、原子混合和粗糙度增加。
(2)设有薄膜插入层19的情况在该实施方式中，薄膜插入层19设置在自由层18和盖层20之间，如图1所示。作为薄膜插入层19，选择具有的应力的极性与CPP-NOL隔离层16的材料的特有内部应力的极性相同的材料。这里，相同极性是指张应力(正极性)或压应力(负极性)的组合。
图3是表示其中插入了薄膜插入层19的CCP-CPP自旋阀膜的内部应力理论曲线图。图3中(a)是剖视图、(b)表示每个层的材料的特有应力(实线)和每个层接收到的来自相邻层的应力，(c)表示每个层的实际应力。
如图3(b)中的实线所示，金属层17和自由层18夹在两者都具有很大压应力的隔离层16和薄膜插入层19之间。因此，根据各个层接收到的来自相邻层的外部应力(如虚线所示)，有很大的压应力施加给金属层17和自由层18。结果，在金属层17和自由层18中的实际内部应力变成压应力，从隔离层16和金属层17之间的界面到自由层18的应力变化是渐变的(见图3(c))。
结果，即使当由于在电流激励时的热生成而发生根据内部应力的原子迁移时，原子迁移变成接近所述相邻层，因为从隔离层16到自由层18的内部应力的变化是渐变的。因此，可以防止导致自旋相关界面散射效应降低的现象，比如晶格失配、原子混合和粗糙度增加。
在其中插入了薄膜插入层19的CCP-CPP自旋阀膜中，在薄膜插入层19和盖层20之间的界面中的内部应力的变化是突变的。可是，由于下列原因(1)和(2)，这不再是一个大的问题。即，(1)由于离CCP-NOL隔离层16足够远，所以在电流激励时的温度上升很小。(2)由于位于自旋相关散射单元的外部，所以即使结构发生恶化MR变化率的降低也很难发生。
下面说明隔离层16和薄膜插入层19的具体材料。本发明的发明人制备了由各种类型的氧化物材料形成的单层薄膜，并用基底曲率测量法检测了各氧化物材料的特定应力值。结果，具有压应力的材料和它们的应力值显示在表1中，具有张应力的材料和它们的应力值显示在表2中。基底曲率测量法是用于通过在基底上形成薄膜，根据出现到基底上的变形(弯曲)，测量薄膜的内部应力。
表1
表2
当表1中示出的具有压应力的氧化物用作隔离层16的绝缘层161的组成材料(绝缘材料比如氧化物)时，选自表1中的具有与隔离层16相似的压应力的氧化物层用作薄膜插入层19。另一方面，当表2中示出的具有张应力的氧化物用作隔离层16的绝缘层161的组成材料时，选自表2中的具有与隔离层16相似的张应力的氧化物层用作薄膜插入层19。
在这种情况下，氧化物被描述作为绝缘器实例，但可以使用氮化物或氧氮化物作为绝缘器。可以使用具有与隔离层16的应力相同极性的应力的普通绝缘材料作为薄膜插入层19的组成材料。
薄膜插入层19的膜厚的范围应使得能够达到应力控制效果和不发生由于电阻的增加引起的MR比率的降低。但是因为下述原因，膜厚优选为0.5nm～1.5nm。
由薄膜插入层19施加给相邻层的应力的幅度与氧化物材料的内部应力σADJ和膜厚tABJ的乘积σADJ·tABJ成正比。因此，如果薄膜插入层19的膜厚太薄，则不能展示出应力控制作用，并且薄膜插入层19的膜厚越厚，应力控制执行的越有效。为了展示出应力控制作用，薄膜插入层19的膜厚希望为0.5nm或更大。
当薄膜插入层19的膜厚太厚时，薄膜插入层19的电阻增加，在CCP-CPP元件的自旋相关散射单元外部的电阻也增加，由此产生MR变化率的现象。因而，在使用任意氧化物材料的情况下，薄膜插入层19的膜厚希望为1.5nm或更小。
作为薄膜插入层19的材料，采用包含选自由Al、Si、Mg、Ti、Ta和Zn构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物和氧氮化物作为主要成分。
金属层17和自由层18的膜厚希望在使薄膜插入层19的应力控制有效的范围内。当金属层17和自由层18的总膜厚太大时，变得难于使隔离层16到自由层18的自旋相关散射单元的应力变化是渐变的。这是因为薄膜插入层19的应力控制作用很难施加到在CCP-NOL隔离层16附近的区域。因此，金属层17和自由层18的总膜厚优选为10nm或更小，更优选为5nm或更小。
在该实施方式中，将具有与隔离层16相同极性的应力的薄膜插入层19设置在自由层18上。因而，位于隔离层16上的金属层17和自由层18的内部应力与隔离层16的内部应力之间的差距减小。因此，如上所述，与由在电流激励时的热生成产生的内部应力一致的各个层的原子迁移的差距减小，自旋相关界面散射的降低可以被抑制。
结果，可以提供即使执行长时间的电流激励也不会使MR变化率降低和可靠性增加的磁阻效应元件。
(3)在薄膜插入层19下设置有金属层22的情况如图4所示，在自由层18和薄膜插入层19之间可以设置金属层22。金属层22起障碍层的作用，保护沉积在金属层22下的自由层18，防止其与薄膜插入层19的氧化物接触及被氧化。
根据薄膜插入层19的材料和自由层18的材料，如在图1中所示的磁阻效应元件中所示的那样，可以不必设置金属层22。通过优化退火条件，选择薄膜插入层19的材料、自由层18的材料等，自由层18的氧化被避免，且可以不必在自由层18和薄膜插入层19之间形成金属层22。可是，考虑到制造误差，优选在隔离层16上形成金属层17。
当设置了金属层22时，金属层17、自由层18和金属层22的膜厚范围优选为使得通过薄膜插入层19进行的应力控制有效。当金属层17、自由层18和金属层22的总膜厚太大时，变得难于使隔离层16的自旋相关散射单元到自由层18的应力变化是渐变的。这是因为薄膜插入层19的应力控制作用很难施加到CCP-NOL隔离层16附近的区域。因此，金属层17、自由层18和金属层22的总膜厚优选为10nm或更小，更优选为5nm或更小。
(4)应用于顶端型CCP-CPP元件在该实施方式中，其中被钉扎层14位于自由层18下面的底型CCP-CPP元件被描述为磁阻效应元件的一个实例。关于这一点，通过薄膜插入层19的应力控制也能够应用于其中被钉扎层14设置在自由层18上的顶端型CCP-CPP元件中。
在顶端型CCP-CPP元件中，在基底上依次沉积下电极11，基础层12，自由层18，金属层15，隔离层(CCP-NOL)16，金属层17，被钉扎层14，钉扎层13，盖层20和上电极21。如图5所示，通过在基础层12和自由层18之间沉积薄膜插入层19，通过在隔离层16附近的应力控制能够提高可靠性。
在顶端型CCP-CPP元件的情况下，金属层22可以设置在薄膜插入层19和自由层18之间，如图6所示。
(薄膜插入层19的制备)为了制备薄膜插入层19，可以使用通过氧化物、氮化物和氧氮化物的靶的直接溅射法。通过直接溅射法，可以沉积氧化物、氮化物或氧氮化物本身。作为靶材料，可以使用包含选自由Al、Si、Mg、Ti、Ta和Zn构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物和氧氮化物。
可以通过在沉积之后将金属材料氧化来进行薄膜插入层19的制备。例如，在通过使用包含选自由作为氧化物基材的Al、Si、Mg、Ti、Ta和Zn构成的组中的至少一种元素的靶来执行沉积之后，供给氧化气体以形成氧化物。
作为氧化的方法，可以使用自然氧化法，其中使基材的金属薄膜与氧化气氛接触进而被氧化。可以采用进行RF等离子体或氧离子束的照射的利用能量辅助效果(energy assist effect)的氧化方法。后者更优选，因为可以得到稳定的氧化物。
上述方法在氮化和氧氮化的情况下也是有效的。例如，通过照射氮气以及氮气和氧气的混合气体的等离子体和离子，可以氮化或者氧氮化金属，从而可以制备薄膜插入层19。
(第二实施方式)图7是表示根据本发明的第二实施方式的磁阻效应元件(CCP-CPP元件)的截面的剖视图。在该实施方式中，与第一实施方式相比而言，添加了金属层23，并且薄膜插入层19A的薄膜结构不同。
薄膜插入层19A的薄膜结构是CCP-NOL结构，并具有绝缘层191和电流通道192。金属层23用于形成电流通道192，是电流通道192的所谓供给源。然而在电流通道192形成之后，金属层23不必再保留作为明确的金属层。
通过制备具有CCP-NOL结构的薄膜插入层19A，形成厚的薄膜插入层19A，能够形成有效的应力控制，而不会增加磁阻效应元件的电阻值。
可是，即使在薄膜插入层19A使用CCP-NOL结构的情况下，如果膜厚变成2.0nm或更大，则变得难于在制备工序中形成电流通道192。因此，薄膜插入层19A的膜厚优选为0.5nm至2.0nm。
薄膜插入层19A的电流通道192的密度可以在这样的范围，在该范围内获得了应力控制效果，并且不会由于电阻增加引起MR比率的降低。因为下述原因，所述密度优选为30％～60％，包括30％和60％。在这种情况下，密度R等于电流通道的面积S2与薄膜插入层19A的面积S0的比值(S2/S0)。
薄膜插入层19A的应力值σ0和其面积S0的乘积σ0·S0等于绝缘层191的内部应力σ1和其面积S1的乘积σ1·S1与电流通道192的内部的应力σ2和其面积S2的乘积σ2·S2的总和。即，表示为下列公式(1)。
σ0·S0＝σ1·S1+σ2·S2......公式(1)由公式(1)，得到公式(2)，σ0＝σ1·(1-R)+σ2·R...... 公式(2)公式(2)表明当电流通道192的密度R变大时，薄膜插入层19A的应力值σ0与绝缘层191的内部应力σ1相差越大，变得更接近于电流通道192的内部应力σ2。在这种情况下，电流通道192的内部应力σ2的绝对值小于绝缘层191的内部应力σ1的绝对值。因此，当密度R变得太大时，薄膜插入层19A的应力值σ0的绝对值就变小，因而变得很难展示出应力控制作用。为了展示出应力控制作用，薄膜插入层19A的电流通道192的开口比率(opening ratio)优选为60％或更小。
另一方面，当薄膜插入层19A的密度太小时，薄膜插入层19A的电阻增大。这意味着，在自旋相关散射单元外部的CCP-CPP元件的电阻增大，且导致MR变化率降低。因此，薄膜插入层19A的电流通道192的密度优选为30％或更大。
由于上述原因，薄膜插入层19A的电流通道192的密度优选为30％～60％，包括30％和60％。
(薄膜插入层19A的制备)图8是表示薄膜插入层19A的制备工序的一个实例的流程图。
CCP-NOL结构的薄膜插入层19A按下列所述制备。
(1)金属层23的形成(第一金属层)(步骤S11)在自由层18上形成金属层23。金属层23将是薄膜插入层19A的电流通道192的供给源，是由Cu、Ag或Au组成的。
(2)将被氧化的金属层的形成(第二金属层)(步骤S12)在金属层23上形成将要被氧化的金属层。将被氧化的金属层是将被转换成薄膜插入层19A的氧化层(绝缘层191)的层，包含选自由Al、Si、Mg、Ti、Ta和Zn构成的组中的至少一种元素。
(3)照射离子或等离子体到将被氧化的金属层(步骤S13)将离子或等离子体照射到将被氧化的金属层。稀有气体(例如Ar)的离子束或者RF等离子体被照射到将被氧化的金属层的表面。这个预处理称为PIT(预离子处理)工序步骤。作为PIT工序步骤的结果，部分金属层23被吸收且进入到所述将被氧化的金属层。
(4)将被氧化的金属层的氧化(步骤S14)氧化所述将被氧化的金属层。更具体来说，当执行稀有气体(例如Ar)的离子束或者RF等离子体的照射时供给氧化气体(例如，O2)，把所述将被氧化的金属层转换成氧化层。通过氧化处理(IAO离子束辅助氧化)，制成CCP-NOL结构的薄膜插入层19A，其中诸如Cu的电流通道192沿层叠方向贯穿所述氧化物材料(绝缘层191)。
(实施例)下面结合
本发明的实施例。
(实施例1)在该实施例中，制成如图1所示的具有层叠结构的磁阻效应元件。
*下电极11*基础层12Ta[5nm]/Ru[2nm]*钉扎层13Pt50Mn50[15nm]*被钉扎层14Co90Fe10[3.6nm]/Ru
/{(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}*金属层15Cu
*隔离层16Al2O3绝缘层161和Cu电流通道162[1.5nm]*金属层17Cu
*自由层18Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]*薄膜插入层19表1中所写的具有压应力的氧化物材料
*盖层20Cu[1nm]/Ta[5nm]*上电极21在基底上形成下电极11，用于使传感电流沿垂直于自旋阀膜的方向上流过。
在下电极11上沉积Ta[5nm]/Ru[2nm]作为基础层12。Ta是缓冲层12a，其减轻下电极的粗糙度。Ru是籽晶层12b，其控制沉积在其上的自旋阀膜的晶体取向和晶粒尺寸。
作为缓冲层12a，代替Ta，可以使用Ti、Zr、Hf、V、Cr、Mo、和W，以及它们的合金材料。缓冲层12a的膜厚优选为3至5nm。当缓冲层12a太薄时，缓冲效果就失去了。另一方面，当缓冲层12a太厚时，导致当传感电流沿垂直方向流过时串联电阻增大，因而，并不优选缓冲层12a太厚。
作为籽晶层12b，优选使用具有hcp结构(六角密堆结构)或fcc结构(面心立方结构)的材料。
当Ru用作籽晶层12b时，沉积在其上的自旋阀膜的晶体取向可以形成fcc(111)取向，PtMn的晶体取向可以形成fct(111)取向，并且bcc结构的晶体取向可以形成bcc(110)取向。
通过设置籽晶层12b，沉积在其上的自旋阀膜的晶粒尺寸可以控制在10至40nm。因此，即使所述元件尺寸变小，也不会使金属通道在所述各元件中的占有率发生变化，且可以得到适当的面积电阻(area resistance)Ra和高MR。
籽晶层12b的膜厚优选为2至6nm。如果籽晶层12b的厚度太小，晶体取向的控制效果就失去了。当传感电流沿垂直方向流过时，膜厚太大的缓冲层12b导致串联电阻增大，因而这不是优选的。
在基础层12上沉积Pt50Mn50[15nm]作为钉扎层13。钉扎层13具有固定沉积在其上的被钉扎层14的磁化方向的作用。膜厚太小的钉扎层13不能展示出钉扎固定的作用，因而并不是优选的，但膜厚太大的钉扎层13从间隙变窄的角度来看也不是优选的。当Pt50Mn50用作钉扎层13时，Pt50Mn50的膜厚优选约为8～20nm，更优选为10～15nm。
作为用于钉扎层13的抗磁材料，除PtMn外还列举有PdPtMn和IrMn。IrMn用比PtMn和PdPtMn更小的膜厚展示出钉扎固定的作用，并且从间隙变窄的角度来看是优选的。当IrMn用作钉扎层13时，IrMn的膜厚优选为4～12nm，更优选为5～10nm。
在钉扎层13上沉积被钉扎层14。在该实施例中，作为被钉扎层14，使用由下被钉扎层141(Co90Fe10[3.6nm])、磁偶合中间层142(Ru
)、上被钉扎层143{(Fe50Co50[1nm[/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}组成的合成被钉扎层。
下被钉扎层141与钉扎层13形成交换磁偶合，具有单方向各向异性。下被钉扎层141和上被钉扎层143经过磁偶合中间层142磁性偶合，以使磁化方向彼此反平行。
下被钉扎层141优选设计成使磁性膜厚，即饱和磁化Bs×膜厚t(Bs·t之积)，基本上等于上被钉扎层143。在该实施例中，上被钉扎层143为(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]，FeCo的饱和磁化强度大约为2.2T，因而磁性膜厚为2.2T×3nm＝6.6Tnm。至于下被钉扎层141，Co90Fe10的饱和磁化强度大约为1.8T，使磁化膜厚等于上述值的下被钉扎层141的膜厚则为6.6Tnm/1.8T＝3.66nm。在该实施例中，使用膜厚3.6nm的Co90Fe10膜。
从通过钉扎层13(PtMn)的单方向各向异性磁场强度和下被钉扎层141与上被钉扎层143经过Ru的反铁磁偶合磁场强度来看，用作下被钉扎层141的磁性层的膜厚优选约为2～5nm。如果膜厚太小，MR变化率变小，如果膜厚太大，变得难于得到用于装置操作所需的足够的单向各向异性磁场强度。
对于下被钉扎层141，例如，可以使用CoXFe100-X合金(X＝0～100％)，NiXFe100-X合金(X＝0～100％)，或者通过将非磁性元素添加到它们中而形成的材料。
磁性偶合中间层(Ru层)142具有通过在上和下磁性层之间引起反铁磁偶合来形成合成钉扎结构的作用。磁性偶合中间层142的膜厚优选为0.8～1nm。除Ru外还可以使用其它材料，只要该材料能使上和下磁性层之间产生足够的反铁磁偶合即可。
上被钉扎层143{(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}形成为自旋相关界面散射单元的一部分。位于与隔离层16的界面的磁性材料在其对自旋相关磁场散射的作用方面特别重要。在该实施例中，使用具有bcc结构的Fe50Co50。
当在与隔离层16的界面中使用具有bcc结构的磁性材料时，得到大的自旋相关界面散射效应，因而可实现大MR变化率。作为具有bcc结构的FeCo合金，所列举的有FeXCo100-X(X＝30～100％)，和添加了添加元素的FeXCo100-X。
在许多情况下，用于自旋阀膜的金属材料是fcc结构(面心立方结构)或者fct结构(面心四角结构，face-centered tetragonal structure)，因此，有时仅仅上被钉扎层143具有bcc结构。因此，膜厚太小的上被钉扎层143并不优选，因为这种上被钉扎层143很难保持bcc结构稳定以及不能够得到高MR变化率。用作上被钉扎层143(在隔离层16和Ru之间的被钉扎层14)的磁性材料的膜厚优选为2nm或更大，且优选为5nm或更小，以得到大的钉扎固定磁场。
当由具有易实现高MR变化率的bcc结构的磁性层形成被钉扎层14时，具有bcc结构的所述层的膜厚优选约为2nm或更大，以便保持bcc结构更稳定。为了得到大的钉扎固定磁场和保持bcc结构的稳定性，具有bcc结构的被钉扎层14的膜厚范围优选大约为2.5nm至4nm。
作为被钉扎层14的组成材料，所列举的有Fe75Co25至Fe85Co15或类似物质，其在相图中的组成范围在可以得到更稳定的bcc结构的范围内。对于上被钉扎层143，代替具有bcc结构的磁性材料，可以使用fcc结构的CoFe合金和具有hcp结构的钴合金。单金属比如Co、Fe和Ni，和包含其中至少任意一种元素的合金材料都可以使用。按照有利于获得大MR变化率的顺序列出上被钉扎层143的磁性材料，具有bcc结构的合金材料、具有钴成分不低于50％的钴合金、和具有镍成分不低于50％的镍合金按该顺序列出。
在该实施例中，作为上被钉扎层143，使用通过交替层叠磁性层(FeCo层)和非磁性层(超薄Cu层)而形成的层。在具有这种结构的上被钉扎层143中，被称为体散射效应的自旋相关散射效应可以提高。在CCP-CPP元件中，电流被限制在所述隔离层的附近，因此，在隔离层16的磁场附近的电阻的作用变得非常大。在这种情况下，场散射效应的作用大于体散射效应，因此，选择位于与隔离层16的界面中的材料具有重要的意义。可是，使用具有很大体散射效应的材料是有效的。
在磁性层之间的Cu层的膜厚优选为0.1至1nm，更优选为0.2至0.5nm，如果Cu层的膜厚太小，提高体散射效应的效果变小。如果Cu层的膜厚太大，体散射效应有时降低，除此之外，上和下磁性层经过非磁性Cu层的磁偶合变弱，被钉扎层14的特性变得不足。
作为在磁性层之间的非磁性层的材料，代替Cu，可以使用Hf、Zr、Ti等。磁性层比如FeCo层的膜厚优选为0.5至2nm，更优选约为1至1.5nm。
代替具有FeCo层和Cu层交替层叠的上被钉扎层143，可以使用具有FeCo和Cu合金的上被钉扎层143。作为这种FeCoCu合金，例如，列举有(FeXCo100-X)100-YCuY(X＝30～100％，Y＝3～15％)，但也可以使用除此之外的其它组成范围。作为添加到FeCo的元素，可以使用其它元素比如Hf、Zr和Ti，代替Cu。
对于上被钉扎层143，可以使用由Co、Fe、Ni，或其合金材料组成的单层薄膜。例如，作为具有最简单结构的上被钉扎层143，可以使用Co90Fe10单层。可以向这些材料中添加元素。
在Cu沉积在被钉扎层14上作为将成为隔离层16的电流通道162的供给源的金属层15之后，沉积AlCu层作为将被氧化的金属层，其将被转换成隔离层16的绝缘层。
通过照射稀有气体(例如Ar)的离子束到将被氧化的金属层进行预处理。该预处理是称为PIT(预离子处理)。作为PIT的结果，部分金属层15被吸收且进入到将被氧化的金属层中。
之后，供给氧化气体(例如氧气)以氧化将被氧化的金属层。经过氧化，所述将被氧化的金属层被转换成由Al2O3组成的绝缘层161。用这种方式，形成由绝缘层161和贯穿绝缘层161的电流通道162组成的隔离层16。
根据AlCu的膜厚控制Cu层的膜厚，该Cu层是成为电流通道的第一金属层。这是因为当AlCu的膜厚形成为很大时，致使进入AlCu的Cu的量必须增加，以保持电流通道的占有率。如果Cu层的膜厚小于适当范围，则电流通道的占有率减少，而面积电阻变得高于适当的值。当Cu层的膜厚大于适当范围时，由CCP-NOL限制的电流在其到达磁性层之前扩布到Cu层中，使得MR变化率降低，这不是优选的。
作为金属层15，抗氧化和具体的电阻率低的材料是最理想的。代替Cu，可以使用Au、Ag等等。
当AlCu用作将被氧化的金属层时，在第一氧化工序中，不仅Cu被从第一金属层吸收，而且在AlCu中的Cu也与Al分离开。在这种情况下，电流通道由第一金属层和将被氧化的金属层两者中的Cu形成。在该实施例中，Al90Cu10用作将被氧化的金属层，但不包含Cu的纯Al可以用作将被氧化的金属层。当使用纯Al时，电流通道仅仅由吸收的Cu形成。
将被氧化的金属层的材料不限制为用于形成Al2O3的Al合金，而可以是Si、Mg、Ta、Zn等和采用它们作为主要成分的合金。由将被氧化的金属层转换成的绝缘层不限制为氧化物，而也可以是氮化物或氧氮化物。在使用任何材料作为将被氧化的金属层的情况下，在沉积时的膜厚优选为0.5至2nm，在转化成氧化物、氮化物或氧氮化物之后的膜厚优选为0.8至3.5nm。
在隔离层16上沉积Cu
作为金属层17。金属层17具有障碍层的作用，防止沉积在金属层17上的自由层18与隔离层16的氧化物接触及被氧化。
在某些情况下，通过优化退火条件可以避免自由层18氧化，因此，不必总是在隔离层16上设置金属层17。在隔离层16之下的金属层15则是必要的，因为它是电流通道162的供给源，而在隔离层16上的金属层17不是必需的。然而考虑到制造误差，优选在隔离层16上形成金属层17。
作为金属层17的材料，除Cu之外还可以使用Au、Ag、Ru等等。可是，金属层17的材料优选是与电流通道162的材料相同的材料。当与电流通道162的材料不同类别的材料用作金属层17的材料时，导致界面电阻增加，但如果它们两者是相同的材料，就不会出现界面电阻增加。金属层17的膜厚优选为0至1nm。更优选为0.1至0.5nm。如果金属层17太厚，限制在隔离层16中的电流扩布到金属层17中，使得电流限制效果不足，且导致MR变化率降低。
在金属层17上沉积Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]作为自由层18。为了得到高MR变化率，位于与隔离层16的界面的自由层18的磁性材料的选择是重要的。在这种情况下，设置CoFe合金比NiFe合金更优选。在该实施例中，使用在CoFe合金中软磁特性特别稳定的Co90Fe10。
在使用接近Co90Fe10的CoFe合金的情况下，膜厚优选形成为0.5至4nm。
在使用其它组成(例如随被钉扎层14所描述的组成)的CoFe合金的情况下，所述膜厚优选形成为0.5至2nm。为了增加自旋相关界面散射效应，例如使用具有bcc结构(对自由层18也采用该结构)的Fe50Co50作为被钉扎层14是可以想到的。因为在这种情况下，自由层18保持软磁性，不能使用太大的膜厚，0.5至1nm是优选的膜厚范围。
在使用不包含Co的Fe的情况下，提供了相对优良的软磁特性，因此，所述膜厚可以形成为约0.5至4nm。
设置在CoFe层上的NiFe层是软磁特性稳定的材料。CoFe合金的软磁特性不这么稳定，但通过在其上设置NiFe合金，可以补充软磁特性，并可以得到大MR变化率。
NiFe合金的组成优选为NiXFe100-X(X＝约78～85％)。在该实施例中，使用比常用NiFe的组成Ni81Fe19的Ni含量更多的组成(Ni83Fe17)。这是因为当在具有CCP结构的隔离层16上形成自由层18时，用于实现零磁性应变的Ni组分或多或少会改变。NiFe层的膜厚优选约为2至5nm。
当不使用NiFe层时，可以使用这样的自由层18，其中多个分别为1至2nm的CoFe层或Fe层和多个分别为约0.1至0.8nm的超薄Cu层交替层叠。
金属层17和自由层18的膜厚分别具有上面所述的理想膜厚范围，它们的膜厚之和是在通过薄膜插入层19能有效得到应力控制的理想范围内。当金属层17和自由层18的膜厚之和太大时，变得很难使隔离层16的自旋相关散射单元到自由层18的应力改变是渐变的。这是因为薄膜插入层19的应力控制作用难于施加在CCP-NOL隔离层16的附近区域。因此，金属层17和自由层18的膜厚之和希望不超过10nm，进一步希望不超过5nm。在该实施例中，提供了Cu
作为金属层17，Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]作为自由层18。因此，金属层17和自由层18的膜厚之和为4.75nm。
在自由层18上层叠氧化物材料作为薄膜插入层19。在该实施例中，具有压应力的Al2O3用作CCP-NOL隔离层16。因此，对于薄膜插入层19，作为具有相同压应力的氧化物材料，使用在该实施方式的表1中示出的材料中的Al2O3、SiO2、MgO、ZnO和Ta2O5。
薄膜插入层19的膜厚可以在能得到应力控制效果且不会由于电阻增加引起MR比率降低的任意范围内。由于下列原因，薄膜插入层19的膜厚希望为0.5nm至1.5nm。
薄膜插入层19施加到相邻层的应力的幅度与氧化物材料的内部应力σADJ和膜厚tADJ的乘积σADJ·tADJ成正比。因此，当薄膜插入层19的膜厚太小时，不能展示出应力控制作用，而当薄膜插入层19的膜厚越大，应力控制执行得就越有效。为了展示出应力控制作用，薄膜插入层19的膜厚希望为0.5nm或更大。
另一方面，如果薄膜插入层19的膜厚太大，则薄膜插入层19的电阻增加，在自旋相关散射单元外部的CCP-CPP元件的电阻增加，由此导致MR变化率的现象。因而，在使用任意氧化物材料的情况下，薄膜插入层19的膜厚希望为1.5nm或更小。
在该实施例中，用不同种类的氧化物材料将薄膜插入层19恰当地控制在0.5nm至1.5nm的范围内，这是应力控制效果能够展示，并且是制造出来后不增加薄膜插入层19的电阻的膜厚范围。
在该实施例中，如图1所示，在自由层18上设置薄膜插入层19，但也可以如图2所示，在自由层18和薄膜插入层19之间可以设置金属层22。金属层22具有障碍层的作用，其防止沉积在其下的自由层18与薄膜插入层19的氧化物接触及被氧化。
在某些情况下，通过优化等退火条件等可以避免自由层18氧化，因此，不需要总是在自由层18和薄膜插入层19之间设置金属层22。然而考虑到制造误差，优选的是在自由层18和薄膜插入层19之间形成金属层22。作为金属层22的材料，可以使用Cu、Au、Ag、Ru等。金属层22的膜厚优选为0至1nm，更优选为0.1至0.5nm。
当设置有金属层22时，金属层17、自由层18和金属层22的膜厚之和希望在通过薄膜插入层19能有效得到应力控制的范围内。当金属层17、自由层18和金属层22的膜厚之和太大时，它变得很难使隔离层16的自旋相关散射单元到自由层18的应力变化是渐变的。这是因为薄膜插入层19的应力控制作用很难施加到在CCP-NOL隔离层16附近的区域。因此，金属层17、自由层18和金属层22的膜厚之和希望为10nm或更小，更希望为5nm或更小。
在薄膜插入层19上层叠Cu[1nm]/Ru[10nm]作为盖层20。盖层20具有保护自旋阀膜的作用。Cu层的膜厚优选为约0.5至10nm。可以不设置Cu层、而直接在自由层18上设置约0.5至10nm厚的Ru层。可以在Cu层上设置其它金属层，代替Ru层。不特别限制盖层20的组分，也可以使用其它材料，只要它们能够体现盖的效果即可。在盖层20上形成用于使电流垂直流过自旋阀膜的上电极21。
当评价该实施例的CCP-CPP元件特性时，与不插入薄膜插入层19的情况相比，在使用Al2O3、SiO2、MgO、ZnO和Ta2O5中任意一种氧化物材料作为薄膜插入层19的情况下，因长时间电流激励引起的MR恶化的降低得到证实。
(实施例2)在该实施例中，制造图1中所示的具有层叠结构的磁阻效应元件。
*下电极11*基础层12Ta[5nm]/Ru[2nm]*钉扎层13Pt50Mn50[15nm]*被钉扎层14Co90Fe10[3.6nm]/Ru
/{(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}*金属层15Cu
*隔离层16TiO2绝缘层161和Cu电流通道162*金属层17Cu
*自由层18Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]*薄膜插入层19表2中所写的氧化物材料*盖层20Cu[1nm]/Ta[5nm]在CCP-NOL隔离层16的材料和薄膜插入层19之的材料方面，实施例2的结构不同于实施例1的结构。当使用具有张应力的TiO2作为CCP-NOL隔离层16的绝缘层材料时，表2中所写的具有与隔离层16相同张应力的材料可以用作薄膜插入层19。在该实施例中，使用TiO2作为薄膜插入层19。
当评价该实施例的CCP-CPP元件的特性时，与其中没有插入薄膜插入层19的情况相比，通过使用TiO2作为薄膜插入层19，证实了因长时间电流激励引起的MR恶化被降低。
(实施例3)在该实施例中，制成如图7中所示的具有层叠结构的磁阻效应元件。
*下电极11*基础层12Ta[5nm]/Ru[2nm]*钉扎层13Pt50Mn50[15nm]*被钉扎层14Co90Fe10[3.6nm]/Ru
/{(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}*金属层15Cu
*隔离层16Al2O3绝缘层161和Cu电流通道162[1.5nm]*金属层17Cu
*自由层18Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]*金属层23Cu[1nm]*薄膜插入层19由表1中所写的具有压应力的氧化物材料组成的绝缘层191和Cu电流通道192
*盖层20Cu[1nm]/Ta[5nm]除了金属层23和薄膜插入层19A的薄膜结构外，实施例3的结构不同于实施例1的结构。薄膜插入层19A的薄膜结构是CCP-NOL结构，具有绝缘层191和电流通道192。金属层23用于形成电流通道192，是电流通道192的所谓供给源。可是，在电流通道192形成之后，金属层23不必被保留作为明确的金属层。
CCP-NOL结构的薄膜插入层19A按下列所述制备。在自由层18上形成金属层22。金属层22是成为薄膜插入层19A和电流通道192的供给源的层，并由Cu、Ag或Au组成。在金属层23上形成将被氧化的金属层。该将被氧化的金属层是将被转换成薄膜插入层19A的氧化层(绝缘层191)的层，包含选自由Al、Si、Mg、Ti、Ta和Zn构成的组中的至少一种元素。将稀有气体(例如Ar)的离子束或RF等离子体照射到将被氧化的金属层的表面。这个预处理称为PIT(预离子处理)工序步骤。作为PIT工序步骤的结果，部分金属层23被吸收且进入到将被氧化的金属层。
氧化将被氧化的金属层。更具体来说，在稀有气体(例如Ar)的离子束或者RF等离子体照射时通过供给氧化气体(例如氧气)，把所述将被氧化的金属层转换成氧化层。通过所述氧化处理(IAO离子束辅助氧化)，制成CCP-NOL结构的薄膜插入层19A，其中Cu等构成的电流通道192沿层叠方向贯穿氧化物材料(绝缘层191)。
当评价该实施例的CCP-CPP元件的特性时，与其中没有插入薄膜插入层19的情况下相比，在使用Al2O3、SiO2、MgO、ZnO和Ta2O5中任意一种氧化物材料作为薄膜插入层19A的绝缘层191的情况下，因长时间电流激励引起的MR变化率的降低被证实。
(实施例4)在该实施例中，制成如图7中所示的具有层叠结构的磁阻效应元件。
*下电极11*基础层12Ta[5nm]/Ru[2nm]*钉扎层13Pt50Mn50[15nm]*被钉扎层14Co90Fe10[3.6nm]/Ru
/{(Fe50Co50[1nm]/Cu
)×2/Fe50Co50[1nm]}*金属层15Cu
*隔离层16TiO2绝缘层161和Cu电流通道162[1.5nm]*金属层17Cu
*自由层18Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]*金属层23Cu[1nm]*薄膜插入层19A由具有压应力的表2中所写的氧化物材料组成的绝缘层191和Cu电流通道192
*盖层20Cu[1nm]/Ta[5nm]在CCP-NOL隔离层16的材料和薄膜插入层19的材料方面，实施例4的结构不同于例3的结构。当使用具有张应力的TiO2作为CCP-NOL隔离层16的绝缘材料时，表2中所写的具有与隔离层16相同张应力的材料可以用作薄膜插入层19A的绝缘层191。在该实施例中，使用TiO2作为薄膜插入层19A的绝缘层191。
当评价该实施例的CCP-CPP元件的特性时，与其中没有插入薄膜插入层19A的情况下相比，通过使用TiO2作为薄膜插入层19A的绝缘层191，因长时间电流激励引起的MR恶化的降低被证实，(磁阻效应元件的应用)下面将说明根据本发明的实施方式的磁阻效应元件的应用。
(磁头)图9和图10表示根据所述各实施方式的磁阻效应元件被并入到磁头中的状态。图9是沿基本上平行于与磁记录介质(未示出)相对的介质相对面(medium opposing surface)的方向切开的磁阻效应元件的剖视图。图10是磁阻效应元件的沿垂直于介质相对面ABS的方向切开时的剖视图。
作为实施例在图9和10中示出的磁头具有所谓的硬相接结构(hardabutted structure)。磁阻效应膜10是上面所述的CCP-CPP膜。下电极11和上电极21分别设置在磁阻效应膜10之下和之上。在图9中，在磁阻效应膜10的两侧表面上，层叠和设置有偏置磁场施加膜41和绝缘膜42。如在图10中所示，在磁阻效应膜10的介质相对面上设置有保护层43。
传感电流沿基本上垂直于膜面的方向如箭头A所示经过设置在磁阻效应膜10之下和之上的下电极11和上电极21流过磁阻效应膜10。偏置磁场通过设置在左右两侧的一对偏置磁场施加膜41和41施加给磁阻效应膜10。通过控制磁阻效应膜10的自由层18的磁性各向异性以通过所述偏置磁场使其形成单磁畴，该磁畴结构是稳定的，可以控制伴随磁畴壁的移动的Barkhausen噪声。
磁阻效应膜10的S/N比提高，因此当其应用于磁头时，能够有高灵敏度的磁再现。
(硬盘和磁头万向接头组件(Head Gimbal assembly))通过并入到记录/再现集成型磁头组件中，图9和10中所示的磁头可以装载到磁记录再现装置上。
图11是表示这种磁记录/再现设备的示意构成的主要部分的透视图。即，磁记录/再现装置150是一类使用旋转致动器的装置。在该图中，磁盘200安装到主轴152上，并响应于来自未示出的驱动装置控制部分的控制信号，沿箭头A的方向被未示出的电机转动。磁记录/再现装置150可以包括多个磁盘200。
磁头滑块153执行将信息记录入磁盘200中和再现存储在磁盘200中的信息，该磁头滑块153被安装到悬架154的顶端。磁头滑块153的顶端附近装载有包括根据上述任一个实施方式的磁阻效应元件的磁头。
当磁盘200旋转时，磁头滑块153的面向介质表面(ABS)距离磁盘200的表面保持一定的浮动量。或者，可以采用所谓的“接触行进型”(contact-traveling type)，其中滑块与磁盘200相接触。
悬架154连接到致动器臂155的一端。音圈电机156是一种线性电机，设置在致动器臂155的另一端。音圈电机156由未示出的缠绕在线圈管部分上的驱动线圈、和彼此相向设置以夹住所述线圈的由永久磁铁与相对轭构成的磁路构成。
致动器臂155由设置在枢轴157的两个上下点上的未示出的球形轴承支持，以便能够通过音圈电机156旋转滑动。
图12是从磁盘一侧观看时，在远离致动器155的末端的磁头万向接头组件的放大透视图。即，组件160具有致动器臂155，悬架154连接到致动器臂155的一端。磁头滑块153包括磁头，该磁头包括根据上述实施方式中任一个实施方式的磁阻效应元件，磁头滑块153被安装到悬架154的末端。悬架154具有用于写和读信号的导线164，导线164和并入到磁头滑块153中的磁头的每个电极电连接。附图中参考标记165表示组件160的电极焊垫。
根据本实施方式，通过包括包含上述磁阻效应元件的磁头，可以可靠地读出用高记录密度磁性地记录在磁盘200中的信息。
(磁存储器)接下来，描述装载有根据上述实施方式的磁阻效应元件的磁存储器。即，可以实现根据所述实施方式的磁存储器，比如磁性随机存取存储器。
图13是表示所述实施方式的磁存储器的矩阵构成的一个实例示图。图15是表示当存储器单元以阵列形状设置时的电路构成。为了选择阵列中的1位(bit)，将列解码器350和行解码器351包括在内，开关晶体管330由位线334和字线332打开，从而唯一地选择一个位，且通过用传感放大器352检测它，可以读出记录在磁阻效应膜10的磁记录层(自由层)中的位信息。当写入位信息时，写电流流过指定的写字线323和位线322，且施加生成的磁场。
图14是表示根据所述实施方式的磁存储器的矩阵构成的另一个实例的示图。在这种情况下，以矩阵形状排列的位线322和字线334分别通过解码器360和361被选择，从而选定该阵列中的具体存储器单元。每个存储器单元具有的结构是其中磁阻效应元件10和二极管D串联连接。这里，二极管D具有防止传感电流在除磁阻效应元件10外的选定的存储器单元中绕行的作用。用通过使写电流分别流过具体的写位线322和写字线323而产生的磁场执行写入操作。
图15是表示根据所述实施方式的磁存储器的主要部分的剖视图。图16是表示沿图15中的A-A’线的剖视图。这些附图中所示的结构与包含在图13或图14中示出的磁存储器中的1位存储器单元相对应。所述存储器单元具有存储器元件部分311和地址选择晶体管部分312。
存储器元件部分311具有磁阻效应元件10和连接到磁阻效应元件10的一对导线322和324。所述磁阻效应元件10是根据上面描述的实施方式的磁阻效应元件(CCP-CPP元件)。
同时，地址选择晶体管部分312具有经过通道326连接的晶体管330和暗线328。晶体管330根据施加给栅极332的电压执行开关操作，并控制磁阻效应元件10的电流通道和导线334的开和关。
在磁阻效应元件10的下面，沿基本上垂直于导线322的方向设置有写入导线323。这些写入导线322和323可以由例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钽(Ta)或包括上述任意之一的合金形成。
在具有这种组成的存储器单元中，当位信息被写入到磁阻效应元件10中时，写入脉冲电流流过导线322和323，且通过施加由所述电流感生的合成磁场，恰当地反转磁阻效应元件的记录层的磁化。
当位信息被读出时，传感电流流过导线322、包括磁记录层的磁阻效应元件10、和下电极324，并测量磁阻效应元件10的电阻值和电阻值的变化。
通过使用根据上面所述实施方式的磁阻效应元件(CCP-CPP元件)，即使存储器单元尺寸微小，根据所述实施方式的磁存储器也能可靠地控制记录层的磁畴，且能够确保可靠地写入和可靠地执行读出。
近来，代替上述通过电流磁场的写入法，提出了一种利用自旋注射磁化反转的写入法。自旋注射磁化反转写入法是通过使电流流过准磁阻效应元件10来执行写操作的方法，其中自旋的方向是对齐的。在自旋注射磁化反转写入法的磁存储器中，可以使用根据上述实施方式的磁阻效应元件(CCP-CPP元件)。通过这样做，即使存储器单元尺寸微小，记录层的磁畴也可以可靠地控制以能够确保可靠地写入和能够可靠地执行读出。
作为用于MRAM中的磁阻效应元件10，可以实现图17中所示的具有层叠结构的实施例。
*基础层12Ta[5nm]/Ru[2nm]*钉扎层13Pt50Mn50[15nm]*被钉扎层14Co90Fe10[3.4nm]/Ru
/(Co80Fe20)B10[3.5nm]*隧道绝缘层24MgO[1.5nm]*下自由层18ACo90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[1nm]*电流限制层25Al2O3绝缘层的CCP-NOL[1.0nm]和NiFe电流通道*上自由层18BNiFe[2.5nm]*金属层23Cu
*薄膜插入层19A由表1中所写的具有压应力的氧化物材料组成的绝缘层191的CCP-NOL
和Cu电流通道*盖层20Cu[1nm]/Ta[5nm]在MRAM中使用时，建议通过隧道元件实现磁阻效应，CCP结构用于提高MRAM等的开关技术(H.Meng and J-P.wang，IEEE Trans Magn.41(10)，2612(2005))。
在这种情况下，必须在自由层的内部设置CCP-NOL作为电流限制层25。这时，伴随因电流激励引起的在CCP-NOL的附近的热生成和在CCP-NOL的附近的作为驱动力的内部应力的原子迁移发生。在这种情况下，应力的分布在CCP-NOL的附近很大，因此，原子的迁移长度也出现分布。结果，在与为晶体氧化物的MgO相邻的金属层的界面中，或者在金属层内，有可能出现晶格失配、原子混合和粗糙度增加。这些现象成为TMR效应降低的原因。
在这种情况下，正如上面的实施方式中所述，薄膜插入层(材料的应力尤其具有与自由层内的电流限制层25的材料的特定内部应力相同极性)插入在自由层上，由此，可以防止TMR效应的降低。在该实施例中，在自由层中的电流限制层25的材料是具有压应力的Al2O3，因此，作为薄膜插入层19A的绝缘层191的材料，可以使用表1中所写的具有相同压应力的氧化物材料。
当CCP-NOL层插入到自由层的内部作为电流限制层25时，希望使用Ni、Co、Fe和它们的合金材料代替Cu作为成为电流通道的金属。这是因为优选上下磁性层经过CPP-NOL彼此很强地磁性偶合。
作为用于实现被插入到自由层的CCP-NOL的形成工序，希望执行上述PIT/IAO处理。在这种情况下，作为用于形成电流通道的材料，可以直接使用自由层的组成材料。
该实施例的隧道磁阻效应元件的面积电阻RA的值基本上由MgO隧道绝缘层确定，为1.5至1×103Ωμm2。与实施例1的CCP-CPP元件的面积电阻RA、即500mΩμm2相比，该实施例的隧道元件的RA值很大。因此，当施加与实施例1中相同的电压时，所述元件的传感电流小于实施例1中电流。因此，因传感电流激励引起的热生成小于在实施例1中的CCP-CPP元件。
可是，在这样的情况下，相当多的降低TMR效应的如上所述的现象能够发生。在该实施例的隧道磁阻效应元件中，通过插入薄膜插入层19A，可以期望防止导致上述TMR效应降低的现象。
作为在MRAM中使用的磁阻效应膜10，可以实现如图18中所示的具有层叠结构的实施例。
*基础层12Ta[5nm]/Ru[2nm]*钉扎层13Pt50Mn50[15nm]*被钉扎层14Co90Fe10[3.4nm]/Ru
/(Co80Fe20)B10[3.5nm]*隧道绝缘层24MgO[1.5nm]
*自由层18Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]*金属层23Cu
*薄膜插入层19A由表1中所写的具有压应力的氧化物材料组成的绝缘层CCP-NOL
和Cu电流通道*盖层20Cu[1nm]/Ta[5nm]在用于MRAM的该实施例中，磁阻效应通过隧道元件实现。在隧道元件的情况下，热生成发生在隧道绝缘层的附近，尽管热生成不像CCP-NOL的焦耳热那样大。因此，随热生成和作为驱动力的内部应力发生原子迁移。
在这种情况下，在用作隧道绝缘层24的MgO的附近的区域处于具有很大应力分布的不稳定状态。在MgO的附近区域，应力分布很大，因此，原子的迁移长度也出现分布。结果，在与MgO相邻的金属层的界面中，或者在金属层内，有可能出现晶格失配、原子混合和粗糙度增加，所述MgO是隧道绝缘膜的晶体氧化物作为所述隔离层。这些现象成为TMR效应降低的原因。
在这种情况下，正如在上述实施方式中所述，薄膜插入层(尤其具有与在隧道绝缘层24的材料的特定内部应力相同极性的应力的材料)插入在自由层上，由此，可以防止TMR效应的降低。在该实施例中，隧道绝缘层24的材料是具有压应力的MgO。因此，作为薄膜插入层19A的绝缘层191的材料，可以使用表1中所写的具有相同压应力的氧化物材料。
该实施例的隧道磁阻效应元件的面积电阻RA的值基本上由隧道绝缘层MgO确定，为1.5至1×103Ωμm2。与实施例1的CCP-CPP元件的面积电阻RA、即500mΩμm2相比，该实施例的隧道元件的RA值很大。因此，当施加与实施例1中相同的电压时，元件的传感电流小于实施例1中的电流。因此，因传感电流激励引起的热生成小于实施例1中的CCP-CPP元件。
可是，在这样的情况下，很多降低TMR效应的如上所述的现象会发生。在该实施例的隧道磁阻效应元件中，通过插入薄膜插入层19A，可以期望防止导致上述TMR效应降低的现象。
(其它实施方式)本发明的实施方式不限制到上面所描述的实施方式，可以扩大和改变，扩大和改变后的实施方式也包括在本发明的技术范围内。
关于磁阻效应膜的具体结构、电极的形状和材料、偏压施加膜、绝缘膜和除此之外的其它部分，本领域的技术人员可以通过从已知的范围中适当选择它们，从而相似地实现本发明，并得到相似的效果。
例如，在将磁阻效应元件应用到再现磁头上，可以通过施加磁屏蔽到元件的顶部和底部来规定磁头的检测分辨率。
本发明的实施方式可以应用于不仅纵向磁记录方法的磁头或磁再现设备，而且可应用于垂直磁记录方法的磁头或磁再现设备中。
此外，本发明的磁记录/再现设备可以是所谓的固定型，其固定地包括特定的记录介质，也可以是所谓的“可移动”型，其中记录介质可以更换。
而且，本领域的技术人员可以基于上述本发明的实施方式中所述的磁头和磁记录/再现装置，通过适当改变设计来实现的全部磁阻效应元件、磁头、磁记录/再现设备，也都在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种磁阻效应元件，包括固定磁化层，其磁化方向实际上固定在一个方向上；自由磁化层，其磁化方向根据外部磁场发生变化；非磁性隔离层，其设置在所述固定磁化层和所述自由磁化层之间，并包括第一绝缘层，和贯穿第一绝缘层的第一电流通道；和插入层，其设置在所述自由磁化层背向所述非磁性隔离层的一侧上，其中，所述第一绝缘层具有包含选自由Al(铝)、Si(硅)、Mg(镁)、Ta(钽)和Zn(锌)构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分，以及，所述插入层具有包含选自由Al(铝)、Si(硅)、Mg(镁)、Ta(钽)和Zn(锌)构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分。
2.根据权利要求1的磁阻效应元件，其中所述第一绝缘层具有第一应力，所述插入层具有与第一应力极性相同的第二应力。
3.根据权利要求1的磁阻效应元件，其中所述插入层具有第二绝缘层，该第二绝缘层具有氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分，所述插入层还具有沿层的方向贯穿所述第二绝缘层的第二电流通道。
4.根据权利要求3的磁阻效应元件，其中所述第二电流通道具有包含选自由Cu(铜)、Au(金)、Ag(银)构成的组中的至少一种元素的金属作为主要成分。
5.根据权利要求3的磁阻效应元件，其中所述第二电流通道的密度是从30％至60％，包括30％和60％。
6.根据权利要求1的磁阻效应元件，进一步包括金属层，其设置在所述插入层和所述自由磁化层之间，并包括选自由Ru(钌)、Cu(铜)、Au(金)、Ag(银)构成的组中的至少一种元素。
7.根据权利要求1的磁阻效应元件，其中所述插入层的膜厚为0.5至2.0nm。
8.包含根据权利要求1的磁阻效应元件的磁头。
9.包含根据权利要求1的磁阻效应元件的磁记录/再现设备。
10.一种磁阻效应元件，包括固定磁化层，其磁化方向实际上固定在一个方向上；自由磁化层，其磁化方向根据外部磁场发生变化；非磁性隔离层，其设置在所述固定磁化层和所述自由磁化层之间，并包括第一绝缘层，和贯穿第一绝缘层的第一电流通道；和插入层，其设置在所述自由磁化层背向所述非磁性隔离层的一侧上，其中，所述第一绝缘层具有包含Ti(钛)的氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分，以及，所述插入层具有包含Ti(钛)的氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分。
11.根据权利要求10的磁阻效应元件，其中所述插入层具有第二绝缘层，该第二绝缘层具有氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分，所述所述插入层还具有沿层的方向贯穿所述第二绝缘层的第二电流通道。
12.根据权利要求10的磁阻效应元件，进一步包括金属层，其设置在所述插入层和所述自由磁化层之间，包括选自由Ru(钌)、Cu(铜)、Au(金)、Ag(银)构成的组中的至少一种元素。
13.包含根据权利要求10的磁阻效应元件的磁头。
14.包含根据权利要求10的磁阻效应元件的磁记录/再现设备。
15.一种磁阻效应元件，包括固定磁化层，其磁化方向实际上固定在一个方向上；自由磁化层，其磁化方向根据外部磁场发生变化；非磁性绝缘隔离层，其设置在所述固定磁化层和所述自由磁化层之间，电流限制层，其插入到所述自由磁化层中，包括第一绝缘层，和贯穿第一绝缘层的第一电流通道；和插入层，其设置在所述自由磁化层背向所述非磁性绝缘隔离层的一侧上，其中，所述第一绝缘层具有包含选自由Al(铝)、Si(硅)、Mg(镁)、Ta(钽)和Zn(锌)构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分，以及，所述插入层具有包含选自由Al(铝)、Si(硅)、Mg(镁)、Ta(钽)和Zn(锌)构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分。
16.根据权利要求15的磁阻效应元件，其中所述第一绝缘层具有第一应力，所述插入层具有与第一应力极性相同的第二应力。
17.根据权利要求15的磁阻效应元件，其中所述插入层具有第二绝缘层，该第二绝缘层具有氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分，所述插入层还具有沿层的方向贯穿所述第二绝缘层的第二电流通道。
18.根据权利要求17的磁阻效应元件，其中所述第二电流通道具有包含选自由Cu(铜)、Au(金)、Ag(银)构成的组中的至少一种元素的金属作为主要成分。
19.根据权利要求17的磁阻效应元件，其中所述第二电流通道的密度是从30％至60％，包括30％和60％。
20.根据权利要求15的磁阻效应元件，进一步包括金属层，其设置在所述插入层和所述自由磁化层之间，包括选自由Ru(钌)、Cu(铜)、Au(金)、Ag(银)构成的组中的至少一种元素。
21.根据权利要求15的磁阻效应元件，其中所述插入层的膜厚为0.5至2.0nm。
22.包含根据权利要求15的磁阻效应元件的磁记录/再现设备。
23.一种磁阻效应元件，包括固定磁化层，其磁化方向实际上固定在一个方向上；自由磁化层，其磁化方向根据外部磁场发生变化；非磁性绝缘隔离层，其设置在所述固定磁化层和所述自由磁化层之间，电流限制层，其插入到所述自由磁化层中，包括第一绝缘层，和贯穿第一绝缘层的第一电流通道；和插入层，其设置在所述自由磁化层背向所述非磁性绝缘隔离层的一侧上，其中，所述第一绝缘层具有包含Ti(钛)的氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分，以及，所述插入层具有包含Ti(钛)的氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分。
24.根据权利要求23的磁阻效应元件，其中所述插入层具有第二绝缘层，该第二绝缘层具有氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分，所述插入层还具有沿层的方向贯穿所述第二绝缘层的第二电流通道。
25.根据权利要求23的磁阻效应元件，其中所述第二电流通道具有包含选自由Cu(铜)、Au(金)、Ag(银)构成的组中的至少一种元素的金属作为主要成分。
26.包含根据权利要求23的磁阻效应元件的磁记录/再现设备。
全文摘要
一种磁阻效应元件，包括固定磁化层；自由磁化层；其设置在所述固定磁化层和所述自由磁化层之间的非磁性隔离；和设置在所述自由磁化层背向所述非磁性中间层的一侧上的插入层，其中，第一绝缘层具有包含选自由Al(铝)、Si(硅)、Mg(镁)、Ta(钽)和Zn(锌)构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分，以及，所述插入层具有包含选自由Al(铝)、Si(硅)、Mg(镁)、Ta(钽)和Zn(锌)构成的组中的至少一种元素的氧化物、氮化物或氧氮化物作为主要成分。
文档编号H01F10/26GK101026221SQ20071007883
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月16日
发明者藤庆彦, 福泽英明, 汤浅裕美, 岩崎仁志 申请人:株式会社东芝