CN1921167A - 磁阻效应元件、磁头、磁存储装置及磁内存装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁阻效应元件、磁头、磁存储装置及磁内存装置。本发明公开一种CPP型磁阻效应元件，包括：固定磁化层；非磁性层；以及由CoFeAl形成的自由磁化层。CoFeAl的成分落入由在三元成分图中依次连接点A、B、C、D、E、F和A的多条直线所限定的范围内。点A为(55，10，35)，点B为(50，15，35)，点C为(50，20，30)，点D为(55，25，20)，点E为(60，25，15)，以及点F为(70，15，15)，其中每个点的成分坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示，每个含量由原子百分比表示。

Description

磁阻效应元件、磁头、磁存储装置及磁内存装置
技术领域
本发明涉及一种用于再现磁存储装置(magnetic storage device)中信息的磁阻效应元件，尤其涉及一种具有CPP(电流方向垂直于平面)结构的磁阻效应元件，在CPP结构中，感测(sense)电流沿着构成磁阻效应元件的膜叠层的层叠方向流动。
背景技术
近年来，磁阻效应元件作为用于再现记录在磁记录介质上的信息的再现元件，用于磁存储的磁头。磁阻效应元件利用磁阻效应再现记录在磁记录介质上的信息，其中磁阻效应将从磁记录介质泄漏的信号磁场的方向变化转换为电阻变化。
随着磁存储装置在高记录密度方面取得的进展，具有旋阀(spin valve)膜的磁头成为主流。旋阀膜具有由固定磁化层、非磁性层及自由磁化层构成的层叠结构，其中固定磁化层的磁化固定在预定方向，而自由磁化层的磁化方向根据从磁记录介质泄漏的磁场的方向或强度而变化。旋阀膜的电阻值根据固定磁化层的磁化和自由磁化层的磁化所构成的角度而变化。通过使具有恒定值的感测电流流经旋阀膜来检测电压变化，磁阻效应元件再现记录在磁记录介质上的位(bit)。
传统地，将CIP(电流方向在平面内)结构用于磁阻效应元件，在CIP结构中感测电流沿着旋阀膜的平面内方向流动。然而，为了获得更高的记录密度，需要增加磁记录介质的线性记录密度和磁道密度。在磁阻效应元件中，需要减小与磁记录介质的位长度(bit length)相对应的元件厚度以及减小与磁记录介质的磁道宽度相对应的元件宽度，即减小元件的横截面积。在减小元件厚度的情况下，如果采用CIP结构，则感测电流的电流密度较大，这可能会由于形成旋阀膜的材料迁移而引起性能下降。
因此，CPP(电流方向垂直于平面)型结构作为下一代再现元件而被提出和研究，在CPP型结构中感测电流沿着旋阀膜的层叠方向流动，即沿着固定磁化层、非磁性层及自由磁化层的层叠方向流动。CPP型旋阀膜具有如下特征：即使在感测电流的电流密度恒定的条件下减小磁芯(core)宽度(与磁记录介质的磁道宽度相对应的旋阀膜宽度)，输出仍几乎不变，因此CPP型旋阀膜适用于获得高密度记录。
CPP型旋阀膜的输出是由当通过从一个方向至相反方向进行扫描(sweep)而将外部磁场施加至旋阀膜时单位面积的磁阻变化量来确定的。单位面积的磁阻变化量等于旋阀膜的磁阻变化量与旋阀膜的膜表面积的乘积。为了增加单位面积的磁阻变化量，简单来说，需要将自旋相关体积散射系数(spin-dependent bulk scattering coefficient)与电阻率(specific resistance)的乘积较大的材料用于自由磁化层和固定磁化层。自旋相关体积散射是这样一种现象：在自由磁化层或者固定磁化层中，导电电子的散射程度在导电电子的两个自旋方向上不同。磁阻变化量随着自旋相关体积散射系数增加而增加。
作为具有较大自旋相关体积散射系数的材料，在日本特开2004-221526和2005-019484中提出使用Co2FexCr1-xAl(0≤x≤1)材料或者Co2FeAl材料作为具有较大自旋相关体积散射系数的材料的磁阻效应元件。
然而，如果将含大量Cr的Co2FexCr1-xAl用于自由磁化层或者固定磁化层，则自旋相关体积散射系数下降，从而会使磁阻变化量减少。因此，磁阻效应元件的输出下降。
此外，如果将具有何士勒(Heusler)合金成分的Co2FeAl(Co、Fe和Al的原子浓度分别为50％、25％和25％)用于自由磁化层，则由于矫顽力较大而且自由磁化层对信号磁场的磁化响应较慢，因此磁阻元件的灵敏度下降。通常，随着高密度记录的进展，来自磁记录介质的信号磁场强度趋向于下降。因此，磁阻的实质变化量减少，从而导致磁阻元件的输出下降。此外，如果矫顽力太大，由信号磁场产生的自由磁化层的磁化难以旋转，从而导致难以获得输出。
发明内容
本发明的总体目的在于提供一种消除了上述问题的改进且实用的磁阻元件。
本发明的更具体目的在于提供一种具有高输出和良好磁场检测灵敏度的磁阻元件以及具有该磁阻元件的磁头和磁存储装置。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方案，提供一种CPP型磁阻效应元件，包括：固定磁化层；非磁性层；以及自由磁化层，由CoFeAl形成，其中，CoFeAl的成分落入由在三元成分图(ternary composition diagram)中依次连接点A、B、C、D、E、F及A的多条直线所限定的范围内，其中点A为(55，10，35)，点B为(50，15，35)，点C为(50，20，30)，点D为(55，25，20)，点E为(60，25，15)，以及点F为(70，15，15)，每个点的成分坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示，每个含量由原子百分比表示。
CoFeAl的自旋相关体积散射系数几乎等于CoFe的自旋相关体积散射系数，并且相对大于其他软磁材料的自旋相关体积散射系数。此外，CoFeAl的电阻率约为CoFe的电阻率的六倍。因此，通过将CoFeAl用于自由磁化层或固定磁化层，取决于自旋相关体积散射系数和电阻率乘积的磁阻变化量显著大于使用CoFe的情况。从而，能够显著提高磁阻效应元件的输出。由此，由于将CoFeAl用于自由磁化层，从而根据本发明的磁阻效应元件具有较大的磁阻变化量，从而使磁阻效应元件具有高输出。
此外，根据发明人的研究，发现通过将自由磁化层的CoFeAl的成分设定在范围ABCDEFA内，可减少自由磁化层的矫顽力，从而实现对信号磁场具有良好灵敏度的磁阻效应元件。
此外，根据本发明的另一方案，提供一种磁头，包括：衬底，形成磁头滑动器的基部；以及上述磁阻效应元件。由于该磁阻效应元件具有高输出和对信号磁场的良好灵敏度，因此该磁头能够以更高的记录密度进行磁记录。
此外，根据本发明的另一方案，提供一种磁存储装置，包括：磁记录介质；以及磁头，读取记录在该磁记录介质上的信息，该磁头包括上述磁阻效应元件。由于该磁阻效应元件具有高输出和对信号磁场的良好灵敏度，因此该磁存储装置能够实现高密度记录。
另外，根据本发明的另一方案，提供一种磁内存装置(magnetic memorydevice)，包括：CPP型磁阻效应膜，具有固定磁化层、非磁性层及自由磁化层；写装置，用以通过将磁场施加至所述磁阻效应膜而使所述自由磁化层的磁化取向为预定方向；以及读装置，用以通过将感测电流施加至所述磁阻效应膜而检测电阻值，其中，所述自由磁化层由CoFeAl制成，而且CoFeAl的成分落入由在三元成分图中依次连接点A、B、C、D、E、F和A的多条直线所限定的范围内，其中点A为(55，10，35)，点B为(50，15，35)，点C为(50，20，30)，点D为(55，25，20)，点E为(60，25，15)，以及点F为(70，15，15)，每个点的成分坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示，每个含量由原子百分比表示。
根据上述发明，由于将CoFeAl用于自由磁化层，因此磁阻变化量ΔRA较大，而且在读取信息时相应于保存的“0”和“1”的磁阻值之差较大，从而能够精确地读取。此外，通过将自由磁化层的CoFeAl的成分设定为上述范围ABCDEFA内的成分，可减少自由磁化层的矫顽力，从而减少功耗。
当结合附图阅读以下详细说明时，本发明的其他目的、特征和优点将变得更为明显。
附图说明
图1为示出具有根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的复合型磁头的一部分的示意图；
图2为示出构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第一实例的GMR膜的剖视图；
图3为示出构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第二实例的GMR膜的剖视图；
图4为示出构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第三实例的GMR膜的剖视图；
图5为示出构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第四实例的GMR膜的剖视图；
图6为示出构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第五实例的GMR膜的剖视图；
图7为示出实施例1中自由磁化层和上、下第二固定磁化层的成分、矫顽力及磁阻变化量ΔRA的图表；
图8为示出自由磁化层的成分范围的Co、Fe及Al的三元成分图；
图9为示出下第二固定磁化层和上第二固定磁化层的成分的图表；
图10为示出ΔRA与自由磁化层的电阻率和自旋相关体积散射系数之间关系的图表；
图11为示出构成根据本发明第二实施方式的磁阻效应元件的第一实例的TMR膜的剖视图；
图12为示出构成根据本发明第二实施方式的磁阻效应元件的第二实例的TMR膜的剖视图；
图13为示出构成根据本发明第二实施方式的磁阻效应元件的第三实例的TMR膜的剖视图；
图14为示出构成根据本发明第二实施方式的磁阻效应元件的第四实例的TMR膜的剖视图；
图15为示出构成根据本发明第二实施方式的磁阻效应元件的第五实例的TMR膜的剖视图；
图16为根据本发明第三实施方式的磁存储装置的俯视图；
图17A为根据本发明第四实施方式的第一实例的磁内存装置的剖视图。
图17B为示出根据本发明第四实施方式的图17A所示GMR膜结构的示意图。
图18为根据本发明第四实施方式的第一实例的磁内存装置的存储单元的等效电路图；
图19为示出形成根据本发明第四实施方式的第一实例的磁内存装置的变化例的TMR膜结构的示意图；以及
图20为根据本发明第四实施方式的第二实例的磁内存装置的剖视图。
具体实施方式
下面参照附图描述根据本发明的实施方式。除非另外特别指明，否则单位面积的磁阻变化量ΔRA均称为电阻变化量ΔRA或者简称为ΔRA。
(第一实施方式)
下面描述具有根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件和感应式记录元件的复合型磁头。图1为示出该复合型磁头的一部分的示意图。在图1中，箭头X表示面向磁阻效应元件的磁记录介质的移动方向。
参照图1，复合型磁头10包括：平面陶瓷衬底11，其由Al2O3-TiC形成并用作磁头滑动器；磁阻效应元件20，形成在陶瓷衬底11上；以及感应式记录元件13，形成在磁阻效应元件20上。
感应式记录元件13包括：上磁极14，面向磁记录介质且宽度与磁记录介质的磁道宽度相对应；记录间隙层15；下磁极16，与上磁极相对且将记录间隙层15夹在中间；磁轭(图中未示出)，将上磁极14与下磁极16磁性相连；以及线圈(图中未示出)，围绕磁轭，以通过流经线圈的记录电流而感生记录磁场。上磁极14、下磁极16和磁轭均由软磁材料形成。作为软磁材料，有多种材料具有较大的饱和磁通密度，而可获得所需的记录磁场，例如Ni80Fe、CoZrNb、FeN、FeSiN、FeCo、CoNiFe等等。应该注意感应式记录元件13不限于上述结构，而可以使用具有已知结构的感应式记录元件。
磁阻效应元件20包括依次堆叠在氧化铝膜12上的下电极21、磁阻膜30(下文称为GMR膜30)、氧化铝膜25及上电极22，氧化铝膜12形成在陶瓷衬底11的表面上。GMR膜30与下电极21和上电极22均电连接。
磁畴控制膜24经由绝缘膜23形成在GMR膜30的两侧。磁畴控制膜24是Cr膜和CoCrPt膜的叠层体(layered product)。磁畴控制膜24使得构成GMR膜30的自由磁化层(图2中示出)成为单磁畴，以防止产生巴克豪森(Barkhausen)噪声。
下电极21和上电极22除了用作感测电流Is的通道之外，还用作磁屏蔽。因此，下电极21和上电极22均由诸如NiFe、CoFe、CoZrNb、FeN、FeSiN、CoNiFe等软磁材料形成。此外，诸如Cu膜、Ta膜、Ti膜等导电膜可设置在下电极21与GMR30之间的界面处。
另外，磁阻效应元件20和感应式记录元件13被氧化铝膜、碳氢化物膜或类似物覆盖，以防止腐蚀等。
例如，感测电流Is沿近似垂直方向从上电极22流经GMR膜30，到达下电极21。GMR膜30根据从磁记录介质泄漏的信号磁场的强度和方向改变其电阻值，即所谓的磁阻值。磁阻效应元件20通过使感测电流Is具有预定的电流值来检测GMR膜30的磁阻值变化。如上所述，磁阻效应元件20再现记录在磁记录介质上的信息。应该注意感测电流Is的流动方向不限于图1所示的方向，而可以为相反的方向。此外，磁记录介质的移动方向可以反转。
图2为示出构成根据本发明第一实施方式磁阻效应元件的第一实例GMR膜的剖视图。
参照图2，第一实例的GMR膜30具有所谓的单旋阀结构，其中基础层31、反铁磁层32、固定磁化叠层体33、非磁性金属层37、自由磁化层38及保护层39依次连续堆叠。
基础层31通过溅射方法等形成在图1所示的下电极21表面上。基础层31由例如NiCr膜或Ta膜(例如，膜厚为5nm)和NiFe膜(例如，膜厚为5nm)的叠层体构成。优选地，NiFe膜含有原子百分比为17％至25％的Fe。使用具有上述成分的NiFe膜，反铁磁层32在(111)晶面和在结晶学上等价于(111)晶面的晶面上外延生长，其中(111)晶面是NiFe膜的晶体生长方向。从而改进反铁磁层32的结晶性。
反铁磁层32由例如膜厚为4nm至30nm的Mn-TM合金(TM包括Pt、Pd、Ni、Ir和Rh至少其中之一)形成。作为Mn-TM合金，例如有PtMn、PdMn、NiMn、IrMn及PtPdMn。反铁磁层32通过对固定磁化叠层体33的第一固定磁化层34施加交换相互作用，将第一固定磁化层34的磁化固定在预定方向上。
固定磁化叠层体33具有所谓的叠层铁磁结构，其中从反铁磁层32侧开始，第一固定磁化层34、非磁性耦合层35和第二固定磁化层36依次堆叠。在固定磁化叠层体33中，第一固定磁化层34的磁化和第二固定磁化层36的磁化以反铁磁方式交换耦合，并且磁化方向相反。
第一固定磁化层34和第二固定磁化层36均由膜厚为1至30nm的含有Co、Ni和Fe至少其中之一的铁磁材料形成。作为适用于第一固定磁化层34和第二固定磁化层36的铁磁材料，例如有CoFe、CoFeB、CoFeAl、NiFe、FeCoCu、CoNiFe等等。应该注意第一固定磁化层34和第二固定磁化层36均不仅可以是单层，而且可以是两层或多层的叠层体。该叠层体可以使用相同元素但其成分比不同的多层组合的材料。或者，也可以使用不同元素的组合的材料。
第二固定磁化层36优选由CoFeAl形成。这是出于以下原因。CoFeAl的自旋相关体积散射系数与属于软磁材料的CoFe的自旋相关体积散射系数的范围相同，而相对大于其它软磁材料的自旋相关体积散射系数。例如，Co90Fe10的自旋相关体积散射系数为0.55，而Co50Fe20Al30的自旋相关体积散射系数为0.50。此外，CoFeAl的电阻率远远大于CoFe。例如Co90Fe10的电阻率为20μΩcm，而Co50Fe20Al30的电阻率为130μΩcm，约为Co90Fe10的电阻率的6倍。由于磁阻变化量取决于自旋相关体积散射系数与电阻率的乘积，所以CoFeAl的磁阻变化量ΔRA远远大于CoFe的磁阻变化量。因此，通过将CoFeAl用于第二固定磁化层36可显著提高磁阻变化量ΔRA。
此外，由于CoFeAl的自旋相关体积散射系数和电阻率对CoFeAl成分比的依赖性较小，因此具有在制造时容易控制CoFeAl成分的优点。应该注意由于上述优点，CoFeAl也适用于自由磁化层38。
在第二固定磁化层36中，考虑到较大的磁阻变化量ΔRA，CoFeAl优选具有如在下文所述第二实施方式中说明的图8所示三元成分图中的区域CHIDC之内的成分。区域CHIDC定义为依次连接点C(50，20，30)、点H(40，30，30)、点I(50，30，20)、点D(55，25，20)及点C(50，20，30)的多条直线所围绕的区域，其中各成分的坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示。请注意Co、Fe和Al的含量均由原子百分比表示。此外，由于第二固定磁化层36的矫顽力不影响磁阻效应元件的信号磁场，因此不限于特定值。
另外，作为适用于第一固定磁化层34的软磁材料，考虑到低电阻率，有Co60Fe40和NiFe。由于第一固定磁化层34的磁化方向与第二固定磁化层36的磁化方向相反，因此第一固定磁化层34起减小磁阻变化量ΔRA的作用。在这种情况下，通过使用具有低电阻的铁磁材料，可抑制磁阻变化量ΔRA的减少。
非磁性耦合层35的厚度值设定在使得第一固定磁化层34和第二固定磁化层36以反铁磁方式交换耦合的范围内。该范围为0.4nm至1.5nm(优选为0.4nm至0.9nm)。非磁性耦合层35由诸如Ru、Rh、Ir、Ru基合金、Rh基合金、Ir基合金等非磁性材料形成。作为Ru基合金，可使用Co、Cr、Fe、Ni和Mn中的任一元素或者上述元素的合金的非磁性材料。
此外，尽管省去了图示，但铁磁接合层可设置在第一固定磁化层34与反铁磁层32之间，该铁磁接合层具有高于第一固定磁化层34的饱和磁通密度。因此，可增加第一固定磁化层34与反铁磁层32之间的交换交互作用，从而消除第一固定磁化层34的磁化方向从预定方向改变或者反转的问题。
非磁性金属层37由膜厚例如为1.5nm至10nm的导电、非磁性材料形成。作为适用于非磁性金属层37的导电材料，有Cu、Al等等。
自由磁化层38设置在非磁性金属层37的表面上，且由膜厚例如为2nm至12nm的CoFeAl形成。如上所述，CoFeAl的自旋相关体积散射系数与CoFe的自旋相关体积散射系数的范围相同，而且CoFeAl的电阻率远远大于CoFe的电阻率。因此，自由磁化层38的磁阻变化量ΔRA远远大于使用CoFe的情况。
另外，自由磁化层的磁化优选对外部施加的信号磁场具有良好的响应。因此，优选地，将自由磁化层38的矫顽力设定为尽可能小，并且构成自由磁化层38的CoFeAl具有下文所述的第一实例所需的成分范围。该成分范围由下文所述的图8所示CoFeAl的三元成分图中的区域ABCDEFA所限定。区域ABCDEFA由依次连接点A(55，10，35)、点B(50，15，35)、点C(50，20，30)、点D(55，25，20)、点E(60，25，15)、点F(70，15，15)和点A(55，10，35)的多条直线限定，其中各成分的坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示。该成分范围具有与属于何士勒(Heusler)合金成分的Co50Fe25Al25相等的磁阻变化量ΔRA，而其矫顽力减少。因此，在提高对信号磁场的灵敏度的同时，磁阻效应元件可提供较高的输出。
此外，通过将自由磁化层38的成分范围设定为下文所述图8所示的CoFeAl三元成分图中的范围ABCGA，可将自由磁化层38的矫顽力设定为等于或低于20Oe。范围ABCGA由依次连接点A(55，10，35)、点B(50，15，35)、点C(50，20，30)、点G(65，20，15)和点A(55，10，35)的多条直线限定，其中各成分的坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示。因此，可进一步提高对信号磁场的灵敏度。
保护层39由诸如含有Ru、Cu、Ta、Au、Al及W其中之一的金属膜等非磁性导电材料形成，并且可由上述金属膜的叠层体形成。当进行下文说明的使反铁磁层32的反铁磁性显现的热处理时，保护层39能够防止自由磁化层38氧化。
参照图2说明第一实例的GMR膜30的形成方法。首先，通过溅射方法、气相沉积方法、CVD方法等，使用上述材料形成从基础层31至保护层39的各层。
随后，在磁场中对如此获得的叠层体进行热处理。该热处理是在以下条件下进行的：在真空气氛中，而且例如加热温度为250℃至320℃，加热时间为约2至4小时，以及磁场为1592kA/m。依照该热处理，上述Mn-TM合金的一部分转变为规则化(regularization)合金，从而提供反铁磁性。此外，当进行热处理时，通过沿预定方向施加磁场而将反铁磁层32的磁化方向设定为平行于预定方向，从而由于反铁磁层32与固定磁化层33之间的交换交互作用而使固定磁化层33的磁化沿预定方向。
接下来，将从基础层31至保护层39的叠层体图案化成如图1所示的预定形状，以获得GMR膜30。注意下文说明的第二至第五实例的GMR膜以与第一实例的GMR膜30相同的方式形成。
由于自由磁化层38由CoFeAl形成，因此第一实例的GMR膜30具有较大的磁阻变化量ΔRA。此外，由于自由磁化层38的CoFeAl设定在上述预定成分范围内，因此自由磁化层38的矫顽力较低。由此，可获得具有高输出和对信号磁场的良好灵敏度的磁阻效应元件。
下面描述构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第二实例的GMR膜。第二实例的GMR膜适用于图1所示磁阻效应元件10的GMR膜30。
图3为构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第二实例的GMR膜剖视图。在图3中，为与上文说明的部件相同的部件赋予相同的标号，并省略它们的描述。
参照图3，第二实例的GMR膜40具有以下结构：其中，基础层31、下反铁磁层32、下固定磁化叠层体33、下非磁性金属层37、自由磁化层38、上非磁性金属层47、上固定磁化叠层体43、上反铁磁层42及保护层39依次连续堆叠。即GMR膜40具有所谓的双旋阀结构，其中上非磁性金属层47、上固定磁化叠层体43及上反铁磁层42设置在图2所示第一实例的GMR膜的自由磁化层38与保护层39之间。请注意下反铁磁层32、下固定磁化叠层体33及下非磁性金属层37分别由与图2所示第一实例的GMR膜的反铁磁层32、固定磁化层33及非磁性金属层37相同的材料形成，且分别具有与图2所示第一实例的GMR膜的反铁磁层32、固定磁化层33及非磁性金属层37相同的膜厚，而且使用相同的标号。
上非磁性金属层47和上反铁磁层42可分别由与下非磁性金属层37和下反铁磁层32相同的材料形成，而且膜厚设定在相同的范围内。
此外，上固定磁化叠层体43具有所谓的叠层铁磁结构，其中上第一固定磁化层44、上非磁性接合层45及第二固定磁化层46在上反铁磁层42侧依次连续堆叠。上第一固定磁化层44、上非磁性接合层45及第二固定磁化层46分别由与下第一固定磁化层34、下非磁性接合层35及下第二固定磁化层36相同的材料形成，而且膜厚设定在相同的范围内。
GMR膜40的自由磁化层38选自与图2所示第一实例的GMR膜的自由磁化层38相同的CoFeAl成分范围。因此，出于与第一实例的GMR膜相同的原因，磁阻效应元件具有较大的磁阻变化量ΔRA，并且矫顽力降低。因此，在提高对信号磁场的灵敏度的同时，可获得高输出。
此外，GMR膜40同时具有由下固定磁化叠层体33、下非磁性金属层37及自由磁化层38形成的旋阀结构以及由自由磁化层38、上非磁性金属层47及上固定磁化叠层体43形成的旋阀结构。因此，GMR膜40的磁阻变化量ΔRA增加，并且达到第一实例GMR膜的磁阻变化量的约两倍。由此，通过将GMR膜40用于磁阻效应元件，可使该磁阻效应元件提供比使用第一实例的GMR膜的情况更高的输出。请注意GMR膜40的形成方法与第一实例的GMR膜的形成方法相同，因而省略其说明。
下面描述构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第三实例的GMR膜。第三实例的GMR膜适用于图1所示磁阻效应元件10的GMR膜30。
图4为构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第三实例的GMR膜剖视图。第三实例的GMR膜是第二实例的GMR膜的变化例。在图4中，为与上文说明的部件相同的部件赋予相同的标号，并省略它们的描述。
参照图4，第三实例的GMR膜50具有以下结构：基础层31、下反铁磁层32、下固定磁化叠层体33、下非磁性金属层37、自由磁化叠层体51、上非磁性金属层47、上固定磁化叠层体43、上反铁磁层42及保护层39依次连续堆叠。即在GMR膜50的结构中，设置自由磁化叠层体51代替图2所示第一实例的GMR膜30的自由磁化层38。
自由磁化叠层体51由依次连续堆叠的第一界面磁层52、自由磁化层38及第二界面磁层53形成。自由磁化层38由与图2所示第一实例的GMR膜30的自由磁化层38具有相同成分范围的CoFeAl形成。
第一界面磁层52和第二界面磁层53的厚度均设定在例如0.2nm至2.5nm范围内，且由软磁材料形成。第一界面磁层52和第二界面磁层53均优选由自旋相关界面散射系数大于CoFeAl的材料形成，例如CoFe、CoFe合金、NiFe及NiFe合金。作为CoFe合金，有例如CoFeNi、CoFeCu、CoFeCr等。此外，作为NiFe合金，有NiFeCu、NiFeCr等。通过将自由磁化层38夹在具有较大自旋相关界面散射系数的软磁材料膜之间，能够增加自由磁化叠层体的磁阻变化量ΔRA。请注意第一界面磁层52和第二界面磁层53可使用相同成分的材料，或者可使用含有相同元素但具有不同成分比的材料，或者可使用具有彼此不同的元素的材料。
此外，第一界面磁层52和第二界面磁层53可使用与自由磁化层38具有不同成分比的CoFeAl。例如，第一界面磁层52和第二界面磁层53可使用矫顽力高于自由磁化层38的材料。
第三实例的GMR膜50具有与第二实例的GMR膜相同的效果，而且通过在自由磁化层38两侧设置第一界面磁层52和第二界面磁层53，可将磁阻变化量ΔRA增加至高于第二实例的GMR膜的磁阻变化量。
下面描述构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第四实例GMR膜。第四实例的GMR膜适用于图1所示磁阻效应元件10的GMR膜30。
图5为构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第四实例的GMR膜剖视图。第四实例的GMR膜是第二实例的GMR膜的变化例。在图5中，为与上文说明的部件相同的部件赋予相同的标号，并省略它们的描述。
参照图5，第四实例的GMR膜60具有以下结构：基础层31、下反铁磁层32、下固定磁化叠层体61、下非磁性金属层37、自由磁化层38、上非磁性金属层47、上固定磁化叠层体62、上反铁磁层42及保护层39依次连续堆叠。即在GMR膜60的结构中，设置下固定磁化叠层体61和上固定磁化叠层体62分别代替图3所示第二实例的GMR膜40的下固定磁化叠层体33和上固定磁化叠层体43。
下固定磁化叠层体61包括第三界面磁层63，该第三界面磁层63设置于下第二磁化层36的与下非磁性金属层37相对的一侧。另一方面，上固定磁化叠层体62包括第四界面磁层64，该第四界面磁层64设置于上第二磁化层46的与上非磁性金属层47相对的一侧。第三界面磁层63和第四界面磁层64的厚度均设定在例如0.2nm至2.5nm范围内，且由铁磁材料形成。第三界面磁层63和第四界面磁层64均优选由自旋相关界面散射系数大于CoFeAl的材料形成，例如CoFe、CoFe合金、NiFe和NiFe合金。作为CoFe合金，有例如CoFeNi、CoFeCu、CoFeCr等。此外，作为NiFe合金，有NiFeCu、NiFeCr等等。从而能够增加自由磁化叠层体的磁阻变化量ΔRA。请注意第三界面磁层63和第四界面磁层64可使用相同成分的材料，或者可使用含有相同元素但具有不同成分比的材料，或者可使用具有彼此不同的元素的材料。
第四实例的GMR膜60具有与第二实例的GMR膜相同的效果，而且通过设置第三界面磁层63和第四界面磁层64，可将磁阻变化量ΔRA增加至高于第二实例的GMR膜的磁阻变化量。
下面描述构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第五实例的GMR膜。第五实例的GMR膜适用于图1所示磁阻效应元件10的GMR膜30。
图6为构成根据本发明第一实施方式的磁阻效应元件的第五实例的GMR膜剖视图。第五实例的GMR膜是第四实例的GMR膜的变化例。在图6中，为与上文说明的部件相同的部件赋予相同的标号，并省略它们的描述。
参照图6，第五实例的GMR膜65具有以下结构：基础层31、下反铁磁层32、下固定磁化叠层体66、下非磁性金属层37、自由磁化层38、上非磁性金属层47、上固定磁化叠层体67、上反铁磁层42及保护层39依次连续堆叠。即第五实例的GMR膜65与第四实例的GMR膜的结构基本相同，不同点在于：下固定磁化叠层体66包括第一铁磁接合层68，且上固定磁化叠层体67包括第二铁磁接合层69，其中第一铁磁接合层68设置于下第二固定磁化层36的与下非磁性接合层35相对的一侧，第二铁磁接合层69设置于上第二固定磁化层46的与上非磁性接合层45相对的一侧。
第一铁磁接合层68和第二铁磁接合层69的厚度均设定在例如0.2nm至2.5nm范围内，且第一铁磁接合层68和第二铁磁接合层69均由含有Co、Ni和Fe至少其中之一的铁磁材料(例如CoFe、CoFeB或CoNiFe)形成。第一铁磁接合层68和第二铁磁接合层69通过分别使用饱和磁化强度大于下第二固定磁化层36和上第二固定磁化层46的铁磁材料，均能够增加与下第一固定磁化层34和上第一固定磁化层44的交换耦合，由此进一步稳定下第二固定磁化层36和上第二固定磁化层46上的磁化方向。因此，可稳定磁阻变化量ΔRA。
如上所述，第五实例的GMR膜65具有与第二实例的GMR膜相同的效果，而且通过设置第一铁磁接合层68和第二铁磁接合层69，可稳定磁阻变化量ΔRA。
应该注意，尽管第三至第五实例的GMR膜为第一实施方式中的第二实例的双旋阀GMR膜的变化例，但是与第三至第五实例的GMR膜等同的变化例也可适用于图2所示单旋阀GMR膜的自由磁化层或第二固定磁化层。此外，第三实例的GMR膜和第四或第五实例的GMR膜可相互组合。
(实施例1)
在实施例1中，制造具有图3所示第二实例的GMR膜结构的磁阻效应元件。
图7为示出实施例1中自由磁化层和上、下第二固定磁化层的成分、矫顽力和磁阻变化量ΔRA的图表。
参照图7，改变第1至第27号样品中用于下第二固定磁化层、自由磁化层及上第二固定磁化层的CoFeAl成分。实施例1的样品通过如下方法制成。
在上面形成有热氧化膜的硅衬底上形成Cu(250nm)/NiFe(50nm)的叠层膜作为下电极。然后，在不加热衬底的情况下，在超真空气氛(真空度：等于或低于2×10-6Pa)中通过溅射装置形成下叠层体的基础层至保护层的每一层，其中每一层分别具有下述成分和膜厚。请注意在每个样品中下第二固定磁化层、自由磁化层及上第二固定磁化层的CoFeAl的成分相同，并且该成分在图7中示出。
随后，进行热处理，而使反铁磁层显现反铁磁性。热处理的条件设定为：加热温度为300℃，处理时间为3小时，以及施加的磁场为1952kA/m。
随后，通过离子研磨(ion-milling)对这样获得的叠层体进行研磨，以产生具有从0.1μm2至0.6μm2范围内的六种接合面积的叠层体。注意对于每种接合面积，均制造40件叠层体。
随后，由氧化硅膜覆盖如此获得的叠层体。然后，通过干蚀刻露出保护层，并形成Au膜的上电极，该上电极与保护层接触。
以下示出实施例1中第1至第27号样品的GMR膜的具体结构。请注意括号中的数字表示膜厚，而且下文所述的实施例也是如此。
基础层：NiCr(4nm)
下反铁磁层：IrMn(5nm)
下第一固定磁化层：Co60Fe40(3.5nm)
下非磁性耦合层：Ru(0.72nm)
下第二固定磁化层：CoFeAl(5.0nm)
下非磁性金属层：Cu(3.5nm)
自由磁化层：CoFeAl(6.5nm)
上非磁性金属层：Cu(3.5nm)
上第二固定磁化层：CoFeAl(5.0nm)
上磁性耦合层：Ru(0.72nm)
上第一固定磁化层：Co60Fe40(3.5nm)
上反铁磁层：IrMn(5nm)
保护层：Ru(5nm)
对于如此获得的第1至第27号样品分别测量磁阻变化量ΔR，而且对于具有相同大小的接合面积的每个磁阻效应元件获得磁阻变化量ΔR的平均值。然后，根据磁阻变化量ΔR的平均值和接合面积A，获得单位面积的磁阻变化量ΔRA。进而，在确定具有不同接合面积A的六种磁阻效应元件具有基本相同的ΔRA之后，将ΔRA的平均值设定为最终ΔRA。
请注意在测量磁阻变化量时，感测电流的电流值设定为2mA，并且-79kA/m至79kA/m范围内的外部磁场沿平行于上、下第二固定磁化层的磁化方向扫描。通过数字电压计测量下电极与上电极之间的电压，以获得磁阻曲线。然后，根据磁阻曲线的最大值和最小值之间的差值获得磁阻变化量。此外，根据磁阻曲线的磁滞性获得自由磁化层的矫顽力，其中磁阻曲线是通过将-79kA/m至79kA/m范围内的外部磁场沿与上述相同的方向扫描而获得的。
参照图7，在第1至第27号样品中，表明磁阻变化量ΔRA等于或大于3mΩμm2。根据发明人的研究，发现磁阻变化量ΔRA大于将CoFe用于自由磁化层的情况。
图8为示出自由磁化层的成分范围的Co、Fe和Al的三元成分图。在图8中，在成分坐标上示出第1至第27号样品的矫顽力(单位：Oe)。
参照图8，可理解在Co含量较大的一侧和Fe含量较小的一侧，自由磁化层的矫顽力相对于属于何士勒合金成分的Co50Fe25Al25的矫顽力(30.5Oe)减小。另一方面，在Co含量的原子百分比为80％和Al含量的原子百分比为25％的范围内自由磁化层的矫顽力增加。根据该结果，自由磁化层的CoFeAl的成分优选设定为在图8的成分图中的范围ABCDEFA内。范围ABCDEFA由连接点A(55，10，35)、点B(50，15，35)、点C(50，20，30)、点D(55，25，20)、点E(60，25，15)、点F(70，15，15)及点A(55，10，35)的多条直线限定，其中各成分的坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示。此成分范围为自由磁化层的矫顽力等于或小于30Oe的范围。因此，自由磁化层的矫顽力小于Co50Fe25Al25(即何士勒合金成分)的矫顽力，因此对信号磁场的灵敏度非常好。
请注意尽管在Al含量小于15％(原子百分比)的范围内矫顽力等于或小于30Oe，但根据发明人的研究ΔRA为约1mΩμm2且输出减少。此外，在Al含量的原子百分比大于35％的范围内矫顽力小于30Oe。然而，在该范围内饱和磁通密度趋于减少。因此，为了保持饱和磁通密度和膜厚的乘积，自由磁化层的膜厚趋于增加。从而，读取间隙增加，而使高密度记录时的输出减少。
此外，自由磁化层的CoFeAl的成分范围优选设定为矫顽力等于或小于20Oe的范围。该成分范围是由依次连接点A(55，10，35)、点B(50，15，35)、点C(50，20，30)、点G(65，20，15)及点A(55，10，35)的多条直线限定的范围ABCGA。根据范围ABCGA内的成分，由于矫顽力小于图8所示由依次连接点A、B、C、D、E、F及A的多条直线限定的范围ABCDEFA的矫顽力，因此磁阻效应元件的灵敏度进一步提高。
(实施例2)
在实施例2中，制造具有图6所示根据第一实施方式的第五实例GMR膜结构的磁阻效应元件。在本实施例中，自由磁化层的成分固定为Co50Fe20Al30，而改变下第二固定磁化层和上第二固定磁化层的CoFeAl成分，以形成第31至第37号样品的磁阻效应元件。第31至第37号样品的成分范围为图8中的范围CHIDC。范围CHIDC由依次连续连接点C、H、I、D及C的多条直线限定，其中点H为(40，30，30)，点I为(50，30，20)，在图8中各成分的坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示。请注意同一样品中的下第二固定磁化层和上第二固定磁化层设定为具有相同的成分。此外，第31至第37号样品均通过与实施例1相同的方法制成，并且以相同的方法进行矫顽力和ΔRA的测量。
以下示出第31至第37号样品的GMR膜的具体结构。请注意下第二固定磁化层和上第二固定磁化层的成分在图9中示出。
基础层：NiCr(4nm)
下反铁磁层：IrMn(5nm)
下第一固定磁化层：Co60Fe40(3.5nm)
下非磁性耦合层：Ru(0.72nm)
第一铁磁接合层：Co40Fe60(0.5nm)
下第二固定磁化层：CoFeAl(4.0nm)
第三界面磁层：Co40Fe60(0.5nm)
下非磁性金属层：Cu(3.5nm)
第一界面磁层：Co40Fe60(0.25nm)
自由磁化层：Co50Fe20Al30(6.5nm)
第二界面磁层：Co40Fe60(0.25nm)
上非磁性金属层：Cu(3.5nm)
第四界面磁层：Co40Fe60(0.25nm)
上第二固定磁化层：CoFeAl(4.0nm)
第一铁磁接合层：Co40Fe60(0.5nm)
上磁性耦合层：Ru(0.72nm)
上第一固定磁化层：Co60Fe40(3.5nm)
上反铁磁层：IrMn(5nm)
保护层：Ru(5nm)
如此获得的第31至第37号样品表现相同的矫顽力(11Oe)。
参照图9，第31至第37号样品的磁阻变化量ΔRA为约5至7mΩμm2，这表明获得了相对较大的ΔRA。因此，可发现：通过使用实施例1中选取的成分范围(图8所示范围ABCDEFA中的成分)的CoFeAl以及将属于实施例2中的成分范围(图8所示范围CHIDC中的成分)的CoFeAl用于第二固定磁化层(比如下第二固定磁化层或上第二固定磁化层)，在减少自由磁化层的矫顽力的同时，可获得较大的磁阻变化量ΔRA。由此，获得具有高输出和对信号磁场的良好灵敏度的磁阻效应元件。
(实施例3)
接下来，作为实施例3，对于在将CoFeAl膜用于根据本实施方式的磁阻效应元件的自由磁化层和第二固定磁化层时CoFeAl膜的电阻率对ΔRA的影响进行模拟。
如上所述，与传统使用的CoFe膜相比，CoFeAl膜的一个特征是电阻率非常高。由于CoFeAl膜的电阻率高，因此ΔRA能够显著增加。
该模拟是通过对CPP型磁阻效应元件应用所谓的二元模型(binarymodel)进行的。二元模型是基于以下的两篇文献。
文献(1)：T.Valet等，Phys.Rev.B，48卷，7099-7113页(1993)
文献(2)：N.Strelkov等，J.Appl.Phys.，94卷，3278-3287页(2003)
在根据二元模型的模拟中，假定在磁阻效应元件的GMR膜中流动的向上自旋(up-spin)和向下自旋(down-spin)的每个电子的流路，并为每个流路应用构成GMR膜的每一层的电阻率、自旋相关体积散射系数和膜厚，从而获得ΔRA。模拟的GMR膜的结构与图2所示实例1的GMR膜30的结构相同，并且其具体材料和膜厚如下。
基础层：NiCr(4nm)
方铁磁层：IrMn(5nm)
第一固定磁化层：Co60Fe40(3nm)
非磁性耦合层：Ru(0.8nm)
第二固定磁化层：CoFeAl(5nm)
非磁性金属层：Cu(4nm)
自由磁化层：CoFeAl(5nm)
保护层：Ru(4nm)
然后，通过改变下第二固定磁化层和自由磁化层的电阻率ρ和自旋相关体积散射系数β进行模拟。请注意如果电阻率较大，则自旋扩散长度一般趋于变短。因此，在模拟中，在假定电阻率ρ和自旋扩散长度之间成反比关系的条件下进行计算，并且当电阻率ρ为20μΩcm时自旋扩散长度为10nm。此外，为了进行比较，模拟将CoFe膜用于下第二固定磁化层和自由磁化层的情况(比较例1和2)。
图10为示出ΔRA与自由磁化层的电阻率和自旋相关体积散射系数之间关系的示意图。在图10中，垂直轴表示自旋相关体积散射系数β，而水平轴表示电阻率ρ(μΩcm)。此外，在图10中，相应于ΔRA进行绘图(mapping)，并且每条实线为ΔRA等于如图所示恒定值的等值线。请注意ΔRA等于1的等值线以下的范围表示ΔRA小于1且等于或大于0的范围，而ΔRA等于9的等值线以上的范围表示ΔRA等于或大于9且小于10的范围(数值单位：mΩμm2)。
参照图10，对于CoFe膜的情况(比较例1)，ρ为20μΩcm，β为0.6，而ΔRA为0.5mΩμm2。此外，对于如以下文献(3)所述的β增加的CoFe膜的情况(比较例2)，根据模拟，β为0.77，但ΔRA小于1.2mΩμm2。
文献(3)：H.Yuasa等，J.Appl.Phys.，92，2646-2650页(2002)
另一方面，对于CoFeAl膜的情况，ρ可为依据CoFeAl膜的成分(成分比)而定的多个值。例如，根据模拟，当CoFeAl膜的ρ为50μΩcm且β为0.6(与CoFe膜相等)时，如图10所示，ΔRA为1.2mΩμm2，可理解ΔRA大于比较例2。
此外，当CoFeAl膜的ρ为300μΩcm且β为0.6时，ΔRA为4.6mΩμm2，其为比较例1的7.7倍。请注意，已发现当ΔRA设定为1.2mΩμm2时，电阻率ρ和自旋相关体积散射系数β之间的关系为β＝ρ-0.4(由单点划线表示)。从增加ΔRA的角度，β优选尽可能大，并且β优选接近1，即β的最大值。
CoFeAl膜的ρ采取尤其依据铝含量而定的各个值，当铝含量的原子百分比为20％时，ρ为130μΩcm。由于β为约0.5，因此ΔRA为2.2mΩμm2，并且可理解其远远高于CoFe膜的ΔRA。
另外，尽管通过增加铝含量能够增加CoFeAl膜的ρ，但是ρ优选设定为等于或小于300μΩcm。这是因为如果ρ超过300μΩcm，则由于自旋扩散长度减少等而使得ΔRA趋于下降。
如上所述，优选地，CoFeAl膜的ρ为等于或大于50μΩcm且等于或小于300μΩcm，而自旋相关体积散射系数β设定为β≥ρ-0.4。该范围位于图10中的虚线与上述单点划线之间。通过将CoFeAl膜的ρ和β设定在该范围内，可使得其ΔRA大于CoFe膜，从而提高磁阻效应元件的再现输出。
请注意尽管实施例3的模拟是在CoFeAl膜同时用于第二固定磁化层和自由磁化层的情况下进行的，但是在CoFeAl膜仅用于自由磁化层时仍能获得大于CoFe膜的ΔRA。此外，例如通过上述文献(3)中所述的方法，可获得CoFeAl膜的β值。
(第二实施方式)
根据本发明第二实施方式的磁头包括具有隧道磁阻效应(此后称为TMR)膜的磁阻效应元件。除了设置TMR膜代替GMR膜30之外，根据第二实施方式的磁头结构与图1所示的磁头结构相同，并且将省略对磁头的说明。
图11至图15为构成根据本发明第二实施方式的磁阻效应元件的第一至第五实例的TMR膜的剖视图。
参照图11至图15，除了非磁性金属层(下非磁性金属层)37和上非磁性金属层47分别由绝缘材料制成的下非磁性绝缘层(非磁性绝缘层37a)和绝缘材料制成的上非磁性绝缘层(非磁性绝缘层47a)代替之外，第一至第五实例的TMR膜70至74与图2至图6所示的GMR膜30、40、50、60、65具有相同的结构。
非磁性绝缘膜37a和47a均具有例如为0.2nm至2.0nm的膜厚，并且均由选自Mg、Al、Ti及Zr构成的集合中的材料的氧化物形成。作为这种氧化物，有MgO、AlOx、TiOx和ZrOx。这里，下标“x”表示可以与各种材料的化合物的成分不同的成分。非磁性绝缘膜37a和47a尤其优选由晶体MgO形成。或者，非磁性绝缘膜37a和47a均可由选自Al、Ti和Zr构成的集合中的材料的氮化物或者氮氧化合物(形成。作为这种氮化物，有AlN、TiN和ZrN。
非磁性绝缘膜37a和47a可通过直接成膜的溅射方法、CVD方法或者气相沉积方法形成。或者，非磁性绝缘膜37a和47a可在使用溅射方法、CVD方法或者气相沉积方法形成金属膜之后、通过进行氧化处理或氮化处理将金属膜转变成氧化膜或氮化膜形成。
单位面积的隧道电阻变化量能够以与测量单位面积的磁阻变化量ΔRA相同的方法获得。单位面积的隧道电阻变化量随着自由磁化层38和第二固定磁化层36或46的极化率增加而增加。所述极化率为铁磁层(自由磁化层38以及第二固定磁化层36和46)经由绝缘层(非磁性绝缘膜37a和38a)的极化率。CoFeAl的自旋相关体积散射系数大于传统使用的NiFe或CoFe的自旋相关体积散射系数。因此，通过将CoFeAl用于自由磁化层38，可以预见，单位面积的隧道电阻变化量会增加。另外，通过将CoFeAl用于第二固定磁化层36和46，也可预见单位面积的隧道电阻变化量会增加。
自由磁化层38的CoFeAl的成分范围设定为与第一实施方式中所述的自由磁化层的CoFeAl的成分范围(图8所示的范围ABCDEFA的成分范围，或者范围ABCGA的成分范围)相同。因此，自由磁化层38的矫顽力减少。从而，实现包括具有高输出和对信号磁场的良好灵敏度的TMR膜的磁阻效应元件。
请注意尽管在第二实施方式中第三至第五实例的TMR膜为第二实例的TMR膜的变化例，但是与第三至第五实例的TMR膜相同的变化例也可适用于图11所示TMR膜的自由磁化层或第二固定磁化层。此外，第三实例的TMR膜和第四或第五实例的TMR膜可相互组合。
(第三实施方式)
图16为根据本发明第三实施方式的磁存储装置的俯视图。
参照图16，磁存储装置90具有壳体91。容置在壳体91的部件为：轮轴(hub)92，由主轴(spindle)(图中未示出)驱动；磁记录介质93，固定至轮轴92并通过主轴旋转；传动单元94；悬梁(suspension)96，由传动单元94支撑并沿磁记录介质93的径向驱动；以及磁头98，由悬梁96支撑。
磁记录介质93为平面内磁记录型或垂直磁记录型，并且可以是具有倾斜各向异性的磁记录介质。磁记录介质93不限于磁盘，而可以是磁带。
如图1所示，磁头98包括磁阻效应元件20和形成于其上的感应式记录元件13。感应式记录元件13可以是用于平面内记录的环形记录元件、或用于垂直记录的单磁极型记录元件、或其它已知的记录元件。磁阻效应元件设置有第一实施方式的第一至第五实例的GMR膜之一或第二实施方式的第一至第五实例的TMR膜之一。因此，磁阻效应元件提供较大的单位面积磁阻变化量或较大的隧道电阻变化量，从而实现高输出。因此，磁存储装置90适用于高密度记录。请注意根据本实施方式的磁存储装置的基本结构不限于图16所示的结构。
(第四实施方式)
图17A为根据本发明第四实施方式的第一实例的磁内存装置的剖视图。图17B为示出图17A所示GMR膜30结构的示意图。图18为磁内存装置的存储单元的等效电路图。在图17A中，为了表明方向示出了正交坐标轴。Y1和Y2方向垂直于纸平面，而且Y1方向为进入纸平面，Y2方向为从纸平面出来。在以下说明中，如果一个方向只称为例如“X方向”，则该方向可以是X1方向或X2方向。“Y方向”和“Z方向”亦如此。在图中，为与上文描述的相同的部件赋予相同的标号，并省略它们的说明。
参照图17A、17B和18，例如，磁内存装置100包括以矩阵方式排列的多个存储单元101。每个存储单元101包括磁阻效应(GMR)膜30和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)102。MOSFET102可使用P沟道MOSFET或n沟道MOSFET。这里，以n沟道MOSFET为例进行说明，在n沟道MOSFET中电子用作载流子。
MOSFET102具有p阱区104和杂质扩散区105a和105b，其中p阱区104包含形成在硅衬底103中的p型杂质，而杂质扩散区105a和105b相互分离地形成在p阱区104中硅衬底103的表面附近，n型杂质被引入杂质扩散区105a和105b。这里，杂质扩散区105a用作源极S，而另一杂质扩散区105b用作漏极D。MOSFET102具有形成在栅极绝缘膜106上的栅极G，该栅极绝缘膜106位于两个杂质扩散区105a和105b之间的硅衬底表面上。
MOSFET102的源极S通过垂直布线114a和层内布线115电连接至GMR膜30的一侧，例如基础层31。此外，板线(plate line)108通过垂直布线114b电连接至漏极D。用于读取的字线109电连接至栅极G。或者，栅极G也可用作用于读取的字线109。
此外，位线110电连接至GMR膜30的另一侧，例如保护膜39。用于写入的字线111设置在GMR膜30的下方，且与GMR膜30隔离。
GMR膜30具有如图2所示相同的结构。在GMR膜30中，自由磁化层38的易磁化轴和难磁化轴分别沿着图17A所示的X轴和Y轴取向。易磁化轴的方向可通过热处理或者根据形状各向异性而形成。在根据形状各向异性沿着X轴方向形成易磁化轴的情况下，使得平行于膜表面(或平行于X-Y平面)的GMR膜30的横截面形状为矩形，该矩形的X方向的边长于Y方向的边。
在磁内存装置100中，硅衬底103和栅极G的表面被诸如氮化硅膜或氧化硅膜的层间绝缘膜113覆盖。GMR膜30、板线108、用于读取的字线109、位线110、用于写入的字线111、垂直布线114a和114b以及层内布线115具有上述电连接关系，但是另一方面他们又通过层间绝缘膜113彼此电隔离。
磁内存装置100将信息保存在GMR膜30中。基于自由磁化层38的磁化方向是平行于还是反平行于第二固定磁化层36的磁化方向而保存信息。
接下来，将描述磁内存装置100的写操作和读操作。磁内存装置100将信息写入GMR膜30的操作是通过分别位于GMR膜30上方和下方的位线110和用于写入的字线111来进行的。位线110在GMR膜30上沿X方向延伸。通过使电流流经位线110，将磁场沿Y方向施加至GMR膜30。用于写入的字线111在GMR膜30下方沿Y方向延伸。通过使电流流经用于写入的字线111，将磁场沿X方向施加至GMR膜30。
在基本没有施加磁场时，GMR膜30的自由磁化层38的磁化是沿着X方向(例如，X2方向)取向。磁化方向是稳定的。
在将信息写入GMR膜30时，使电流同时流经位线110和用于写入的字线111。例如，在自由磁化层38的磁化沿着X1方向取向的情况下，使电流沿着Y1方向流经用于写入的字线111。因此，磁场在GMR膜30中是沿X1方向取向。此时，电流流经位线110的方向可以是X1方向或X2方向。由流经位线110的电流所产生的磁场在GMR膜30中是沿着Y1方向或Y2方向，并用作用于自由磁化层38磁化的一部分磁场，以越过难磁化轴的阻碍。即由于将X1方向的磁场和Y1或Y2方向的磁场同时应用于自由磁化层38的磁化，因此自由磁化层38沿X2方向取向的磁化反向为沿X1方向。在去除磁场之后，自由磁化层38的磁化仍保持沿着X1方向取向并且是稳定的，除非施加下一写操作的磁场或用于擦除操作的磁场。
由此，根据自由磁化层38的磁化方向，可将“1”或“0”记录在GMR膜30中。例如，当第二固定磁化层36的磁化方向为X1方向时，如果自由磁化层38的磁化方向为X1方向(低隧道电阻状态)则记录“1”，而如果自由磁化层38的磁化方向为X2方向(高隧道电阻状态)则记录“0”。
在进行写操作时分别提供给位线110和用于写入的字线111的电流大小的条件为：使得只流经位线110和字线111之一的电流不会使自由磁化层38的磁化反向。因此，仅在交点处的GMR膜30的自由磁化层38的磁化中进行记录，该交叉点为提供有电流的位线110与提供有电流的用于写入的字线111的交叉点。源极S侧设定为高阻抗，以防止在写操作中在使电流流经位线110时电流流经GMR膜30。
同时，磁内存装置100从GMR膜30读出信息的操作是通过如下方法进行的：向位线110施加相对于源极S的负电压并向用于读取的字线109(即栅极G)施加高于MOSFET 102阈值电压的电压(正电压)。因此，MOSFET102导通，从而电子从位线110经GMR膜30、源极S和漏极D流至板线108。通过将电流值检测器118(例如安培计)电连接至板线108来检测磁阻值，该磁阻值与相对于第二固定磁化层36磁化方向的自由磁化层38磁化方向相对应。由此，可以读出GMR膜30保存的信息“1”或“0”。
根据本发明第四实施方式的第一实例的磁内存装置100，GMR膜30的自由磁化层38由CoFeAl形成，从而磁阻变化量ΔRA较大。因此，根据磁内存装置100，在读出信息时分别与保存的“0”和“1”相对应的磁阻值之差较大，从而能够以高准确度进行读取。此外，在GMR膜30中，由于自由磁化层38的CoFeAl设定为具有图8所示范围ABCDEFA内的成分，因此自由磁化层38的矫顽力小于Co50Fe25Al25(何士勒合金成分)的矫顽力。因此，根据磁内存装置100，可以减少写操作中所施加的磁场，从而可以减少写操作中流经位线110和用于写入的字线111的电流。因此，根据磁内存装置100，可以减少功耗。
请注意构成磁内存装置100的GMR膜30可由图3至图6所示第二至第五实例的GMR膜40、50、60及65中的任一个代替。
图19为示出形成第一实例磁内存装置100的变化例的TMR膜结构的示意图。参照图19并同时参照图17A，磁内存装置100的GMR膜30也可由TMR膜70代替。TMR膜70的结构与形成根据第二实施方式的磁阻效应元件的第一实例的TMR膜相同。根据TMR膜70，例如，基础层31与层内布线115接触，而保护膜39与位线110接触。此外，自由磁化层38的易磁化轴以与上述GMR膜30相同的方式设置。在采用TMR膜70时磁内存装置110的写操作和读操作与采用GMR膜30时相同，因此省略其描述。
如第二实施方式中所述，TMR膜70显示隧道效应，在TMR膜70中，由于自由磁化层38由CoFeAl形成，因此隧道电阻的变化量较大。因此，根据磁内存装置100，在读出信息时与保存的“0”和“1”相对应的隧道电阻值之差较大，从而能够以高准确度进行读取。此外，由于自由磁化层38的矫顽力减少，所以TMR膜70的灵敏度较高。因此，根据磁内存装置100，可以减少功耗。
请注意第二实施方式的第二至第四实例的TMR膜中的任一个都可以用于构成磁内存装置的TMR膜。
图20为根据本发明第四实施方式的第二实例的磁内存装置120的剖视图。在图20中，为相应于上述部件的部件赋予相同的标号，并将省略它们的说明。
参照图20，磁内存装置120具有不同于第一实例的磁内存装置100的用于将信息写入GMR膜30的机制。除了不设置用于写入的字线111之外，磁内存装置120的每个存储单元具有与图17A和17B所示存储单元101相同的结构。下面参照图20并参照图17B说明磁内存装置120。
磁内存装置120的写操作不同于第一实例的磁内存装置100。根据磁内存装置120，自旋极化电流Iw注入GMR膜30，并依据注入电流Iw的方向，将自由磁化层38的磁化方向从相对于第二固定磁化层36的磁化方向的平行状态反向为反平行状态，或从反平行状态反向为平行状态。自旋极化电流Iw为电子可采取的两个自旋方向之一的电子流。通过使自旋极化电流Iw沿Z1方向或者Z2方向流经GMR膜30，在自由磁化层38的磁化中产生转矩，从而产生所谓的自旋转移磁化转换(反向)。自旋极化电流Iw的电流量根据自由磁化层38的膜厚适当地选择，约为几mA至20mA。自旋极化电流Iw的数值小于在图17A所示第一实例的磁内存装置的写操作中流经位线110和用于写入的字线111的电流。因此，根据磁内存装置120，可以进一步减少功耗。
通过使电流垂直流经与GMR膜30具有基本相同结构的多层体，能够产生自旋极化电流，其中该多层体具有两个铁磁层和夹在所述两个铁磁层之间的Cu膜。通过使两个铁磁层的磁化方向彼此平行或反平行，可控制电子的自旋方向。磁内存装置120的读取操作与图17A所示第一实例的磁内存装置100的读取操作相同。
第二实例的磁内存装置120提供与第一实例的磁内存装置100相同的效果。此外，根据第二实例的磁内存装置120，能够进一步减少功耗。
请注意磁内存装置120的GMR膜30可被图3至图6所示的第二至第五实例的GMR膜40、50、60及65中的任一个代替，或者可被图12至图15所示第一至第四实例的TMR膜中的任一个代替。
此外，尽管在第四实施方式的第一实例和第二实例的磁内存装置中，在进行写操作和读操作时通过MOSFET控制电流方向，但是也可以通过任何其他已知的方法进行这种控制。
尽管在第三实施方式中描述了磁记录介质为盘形记录介质的情况，但是本发明可应用于使用磁带作为记录介质的磁带驱动器。此外，描述了具有磁阻效应元件和记录元件的磁头，但是本发明适用于仅具有一个磁阻效应元件的磁头或者具有多个磁阻效应元件的磁头。
尽管描述了优选实施方式，但是本发明不限于具体公开的实施方式，而可在不脱离本发明范围的情况下进行多种改变和修改。
本发明基于并要求2005年8月25日申请的日本在先申请2005-244507和在2006年3月28日申请的日本在先申请2006-087433的优先权，在此通过参考援引其全部内容。

Claims (23)

1.一种磁阻效应元件，其为CPP型，包括：
固定磁化层；
非磁性层；以及
自由磁化层，其由CoFeAl形成，
其中，CoFeAl的成分落入由在三元成分图中依次连接点A、B、C、D、E、F和A的多条直线所限定的范围内，其中点A为(55，10，35)，点B为(50，15，35)，点C为(50，20，30)，点D为(55，25，20)，点E为(60，25，15)，以及点F为(70，15，15)，每个点的成分坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示，每个含量由原子百分比表示。
2.如权利要求1所述的磁阻效应元件，还包括第二非磁性层和另一固定磁化层，其中所述固定磁化层、所述非磁性层、所述自由磁化层、所述第二非磁性层和所述另一固定磁化层依次堆叠。
3.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其中CoFeAl的成分落入由在三元成分图中依次连接点A、B、C、G和A的多条直线所限定的范围内，其中点A为(55，10，35)，点B为(50，15，35)，点C为(50，20，30)，以及点G为(65，20，15)，各成分的坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示，每个含量由原子百分比表示。
4.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其中所述固定磁化层由CoFeAl形成。
5.如权利要求4所述的磁阻效应元件，其中所述固定磁化层的CoFeAl的成分落入由在三元成分图中依次连接点C、H、I、D和C的多条直线所限定的范围内，其中点C为(50，20，30)，点H为(40，30，30)，点I为(50，30，20)，以及点D为(55，25，20)，各成分的坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示，每个含量由原子百分比表示。
6.如权利要求2所述的磁阻效应元件，其中所述另一固定磁化层由CoFeAl形成。
7.如权利要求6所述的磁阻效应元件，其中所述另一固定磁化层的CoFeAl的成分落入由在三元成分图中依次连接点C、H、I、D和C的多条直线所限定的范围内，其中点C为(50，20，30)，点H为(40，30，30)，点I为(50，30，20)，以及点D为(55，25，20)，各成分的坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示，每个含量由原子百分比表示。
8.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其中所述固定磁化层包括依次叠置的第一固定磁化层、非磁性耦合层和第二固定磁化层，以使所述第二固定磁化层与所述非磁性层接触，而且所述第二固定磁化层由CoFeAl形成。
9.如权利要求8所述的磁阻效应元件，其中所述第二固定磁化层的CoFeAl的成分落入由在三元成分图中依次连接点C、H、I、D和C的多条直线所限定的范围内，其中点C为(50，20，30)，点H为(40，30，30)，点I为(50，30，20)，以及点D为(55，25，20)，各成分的坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示，每个含量由原子百分比表示。
10.如权利要求2所述的磁阻效应元件，其中所述固定磁化层和所述另一固定磁化层均包括依次叠置的第一固定磁化层、非磁性耦合层和第二固定磁化层，并且所述第二固定磁化层由CoFeAl形成。
11.如权利要求10所述的磁阻效应元件，其中所述第二固定磁化层的CoFeAl的成分落入由在三元成分图中依次连接点C、H、I、D和C的多条直线所限定的范围内，其中点C为(50，20，30)，点H为(40，30，30)，点I为(50，30，20)，以及点D为(55，25，20)，各成分的坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示，每个含量由原子百分比表示。
12.如权利要求1所述的磁阻效应元件，还包括：
界面磁层，其由铁磁材料形成，且形成在所述自由磁化层的至少一侧。
13.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其中所述非磁性层由导电材料形成。
14.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其中所述非磁性层由绝缘材料形成。
15.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其中CoFeAl的电阻率ρ等于或大于50μΩcm且等于或小于300μΩcm，且CoFeAl的自旋相关体积散射系数β设定为满足关系式β≥ρ-0.4。
16.一种磁头，包括：
衬底，其形成磁头滑动器的基部；以及
如权利要求1所述的磁阻效应元件，其形成在所述衬底上。
17.一种磁存储装置，包括：
磁记录介质；以及
磁头，其读取记录在该磁记录介质上的信息，该磁头包括如权利要求1所述的磁阻效应元件。
18.一种磁内存装置，包括：
磁阻效应膜，其为CPP型，并具有固定磁化层、非磁性层和自由磁化层；
写装置，用以通过将磁场施加至所述磁阻效应膜而使所述自由磁化层的磁化取向为预定方向；以及
读装置，用以通过将感测电流施加至所述磁阻效应膜而检测电阻值，
其中，所述自由磁化层由CoFeAl制成，而且CoFeAl的成分落入由在三元成分图中依次连接点A、B、C、D、E、F和A的多条直线所限定的范围内，其中点A为(55，10，35)，点B为(50，15，35)，点C为(50，20，30)，点D为(55，25，20)，点E为(60，25，15)，以及点F为(70，15，15)，每个点的成分坐标由(Co含量，Fe含量，Al含量)表示，每个含量由原子百分比表示。
19.如权利要求18所述的磁内存装置，还包括第二非磁性层和另一固定磁化层，其中所述固定磁化层、所述非磁性层、所述自由磁化层、所述第二非磁性层和所述另一固定磁化层依次堆叠。
20.如权利要求18所述的磁内存装置，所述写装置施加第一磁场和第二磁场以控制所述自由磁化层的磁化方向，其中第一磁场平行于所述磁阻效应膜的膜表面且沿着所述自由磁化层的多个易磁化轴方向的其中之一，第二磁场基本平行于所述膜表面且沿着与所述第一磁场成预定角度的方向。
21.如权利要求20所述的磁内存装置，还包括位线、字线和具有控制电极和两个电流供应电极的MOS晶体管，其中，
所述字线电连接至所述控制电极；
所述磁阻效应膜电连接在所述位线与所述两个电流供应电极中的一个电流供应电极之间；以及
所述读装置通过为所述字线设置预定电压而导通所述MOS晶体管，以使感测电流在所述位线与所述一个电流供应电极之间流动，用以检测磁阻值。
22.如权利要求18所述的磁内存装置，其中所述写装置通过将具有自旋极化电子流引入所述磁阻效应膜，控制所述自由磁化层的磁化方向。
23.如权利要求22所述的磁内存装置，还包括位线、字线和具有控制电极和两个电流供应电极的MOS晶体管，
其中，所述字线电连接至所述控制电极；
所述磁阻效应膜电连接在所述位线与所述两个电流供应电极中的一个电流供应电极之间；以及
所述读装置通过为所述字线设置预定电压而导通所述MOS晶体管，以使感测电流在所述位线与所述一个电流供应电极之间流动，用以检测磁阻值。
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