DE60312748T2

DE60312748T2 - Magnetoresistives Element

Info

Publication number: DE60312748T2
Application number: DE60312748T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiko Kawasaki-shi Seyama; Keiichi Kawasaki-shi Nagasaka; Hirotaka Kawasaki-shi Oshima; Yutaka Kawasaki-shi Shimizu; Atsushi Kawasaki-shi Tanaka
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2023-01-07
Also published as: JP2003204094A; KR20030061307A; US20030128481A1; JP4184668B2; CN1431651A; DE60312748D1; CN1208757C; KR100821598B1; EP1328027B1; EP1328027A2; EP1328027A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetoresistives Element, das beispielsweise zum Lesen von magnetischer Information aus einem Laufwerk oder einer Vorrichtung mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium, wie beispielsweise einem Festplattenlaufwerk (HDD), verwendet wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein magnetoresistives Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene (CPP) Struktur, das eine freie Magnetschicht, eine Pinned-Magnetschicht und eine elektrisch leitende, nicht-magnetische Zwischenschicht enthält. Ein Messstrom ist so beschaffen, dass er eine Stromkomponente enthält, die senkrecht zu der Oberfläche des magnetoresistiven Films in dem magnetoresistiven Element mit CPP-Struktur ist.
Ein magnetoresistives Element mit CPP-Struktur, das einen sogenannten mehrschichtigen Riesenmagnetwiderstandsfilm (Riesenmagnetwiderstand = GMR) enthält, ist bereits früher vorgeschlagen worden. Diese Art von magnetoresistivem Element mit CPP-Struktur stellt mit Zunahme der Anzahl an den magnetischen Schichten eine größere Variation bei dem elektrischen Widerstand zur Verfügung. Wie allgemein bekannt ist, führt eine größere Variation bei dem elektrischen Widerstand zu einem genauen Lesen von binärer magnetischer Information mit einem elektrischen Messstrom mit einer kleineren Stromstärke. Insbesondere kann eine größere Variation bei dem elektrischen Widerstand in dem magnetoresistivem Element mit CPP-Struktur von diesem Typ zum Beispiel unabhängig von einer verringerten Größe des Elements oder der Kernbreit aufrechterhalten werden. Es wird erwartet, dass das magnetoresistive Element mit CPP-Struktur zu einer vergrößerten Aufzeichnungsdichte beiträgt.
Obwohl die erhöhte Anzahl an magnetischen Schichten zu einer Verringerung bei der Kernbreite führt, was eine Ver besserung bei der Spurdichte zum Ergebnis hat, hemmt sie zwangsläufig die Verbesserung bei der linearen Dichte, nämlich der Verringerung der Bit-Länge. Infolgedessen kann die Aufzeichnungsdichte nicht wie erwartet verbessert werden. Darüber hinaus ist es schwierig, in geeigneter Weise die magnetische Domäne der freien ferromagnetischen Schicht zu steuern, sowie Hysterese zu unterdrücken.
Es ist ein magnetoresistives Element mit CPP-Struktur vorgeschlagen worden, das einen sogenannten Spinventilfilm enthält. Der Spinventilfilm, der es einem Messstrom ermöglicht, parallel zu der Oberfläche des magnetoresistiven Films zu fliesen, wird bei einem magnetoresistiven Strom-in-der-Ebene (CIP) Strukturelement tatsächlich umfangreich verwendet. Insbesondere ist der Spinventilfilm fast vollständig davor geschützt, unter der Steuerung der magnetischen Domäne in der freien ferromagnetischen Schicht sowie unter der Unterdrückung der Hysterese zu leiden. Jedoch kann eine dramatische Verbesserung bei der Variation des elektrischen Widerstands bei dem magnetoresistiven Element mit CPP-Struktur nicht erwartet werden, das den Spinventilfilm enthält.
Infolgedessen ist es wünschenswert, ein magnetoresistives Element mit CPP-Struktur zur Verfügung zu stellen, das eine größere Variation bei dem elektrischen Widerstand selbst bei einer verringerten Anzahl an Schichten erzeugen kann.
Erfindungsgemäß wird ein magnetoresistives Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur bereitgestellt, das enthält:
eine freie Magnetschicht; ein Pinned-Magnetschicht; und eine nicht-magnetische Zwischenschicht, die zwischen der freien Magnetschicht und der Pinned-Magnetschicht angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass: die nicht-magnetische Zwischenschicht aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist und eine Oberfläche aufweist, die eine Grenze der nicht-magnetischen Zwischenschicht definiert; und Isolationsmaterial auf der Grenze in einer dispergierten Weise existiert.
Wenn ein erfindungsgemäßes magnetoresistives Element mit CPP-Struktur in ein Magnetfeld platziert wird, das sich aus einem magnetischen Aufzeichnungsmedium erstreckt, ist es der Magnetisierung der freien Magnetschicht möglich, als Antwort auf die Inversion der magnetischen Polarität des Magnetfelds zu rotieren. Die Rotation der Magnetisierung in der freien Schicht induziert eine größere Variation bei dem elektrischen Widerstand des magnetoresistiven Elements mit CPP-Struktur. Die Spannung eines elektrischen Messstroms, der durch die freie Magnetschicht, die nicht-magnetische Zwischenschicht und die Pinned-Magnetschicht hindurchdringt, variiert als Antwort auf die Variation des elektrischen Widerstands. Die Variation bei der Spannung kann zum Feststellen von magnetischen Binärdaten verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird angenommen, dass das Isolationsmaterial die Schnittfläche des Wegs für den elektrischen Messstrom verringert. Das magnetoresistive Element mit CPP-Struktur realisiert eine größere Variation bei dem elektrischen Widerstand als Antwort auf die Rotation der Magnetisierung in der freien Magnetschicht. Ein elektrischer Messstrom mit einer geringeren Stärke wird noch verwendet, um eine ausreichende Variation bei der Spannung zu erhalten. Infolgedessen trägt ein erfindungsgemäßes magnetoresistives Element mit CPP-Struktur sehr zu einer weiteren Verbesserung bei der Aufzeichnungsdichte und einer Verringerung des Stromverbrauchs bei.
US 5,986,858 , FR 2,774,774 und EP-A-0780912 (nächstkommender Stand der Technik) offenbaren ein magnetoresistives Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur, das eine freie Magnetschicht und eine Pinned-Magnetschicht enthält. Keines dieser Dokumente offenbart jedoch oder legt nahe, dass ein Isolationsmaterial in einer ausschließlich dispergierten Weise über einer Grenze existieren soll, die auf einer elektrisch leitenden, nicht-magnetischen Zwischenschicht definiert ist, die zwischen der freien und der Pinned-Magnetschicht angeordnet ist.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Isolationsmaterial ein Metalloxid, ein Metallnitrid oder dergleichen sein. Das Metalloxid oder -nitrid kann magnetische Metallatome enthalten. Es wurde beobachtet, dass das Isolationsmaterial, das die magnetischen Metallatome enthält, in bemerkenswerter Weise zu einer vergrößerten Variation bei dem Widerstand beiträgt. Die magnetischen Metallatome können wenigstens eines aus Fe, Co und Ni einschließen. Das Isolationsmaterial kann zum Beispiel ein Oxid oder ein Nitrid einer CoFe-Legierung sein. Wenn eine CoFe-Legierung Sauerstoffgas, Sauerstoffplasma, Sauerstoffradikal oder dergleichen auf einer elektrisch leitenden Schicht ausgesetzt wird, kann leicht das Oxid der CoFe-Legierung erhalten werden. Auf ähnliche Weise kann, wenn eine CoFe-Legierung Stickstoffgas auf einer elektrisch leitenden Schicht ausgesetzt wird, leicht das Nitrid der CoFe-Legierung erhalten werden.
Das Metalloxid oder -nitrid kann mit einem metallischen Material auf der Grenze gemischt sein. Das metallische Material kann zum Beispiel ein magnetisches metallisches Material enthalten. Wenn das Oxid oder Nitrid der CoFe-Legierung auf der Grenze existiert, kann das metallische Material eine CoFe-Legierung sein. Es wird angenommen, dass die Mischung des Isolationsmaterials und des metallischen Materials sehr zu einer vergrößerten Variation bei dem Widerstand beiträgt.
Es wird nun im Wege eines Beispiels Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine Draufsicht ist, die schematisch die innere Struktur eines Festplattenlaufwerks (HDD) veranschaulicht;
2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht ist, die schematisch die Struktur eines Flugkopfgleitkörpers gemäß einem speziellen Beispiel veranschaulicht;
3 eine Vorderansicht ist, die schematisch einen elektromagnetischen Lese-/Schreib-Wandler veranschaulicht, der bei einer luftgelagerten Oberfläche betrachtet wird;
4 eine vergrößerte Vorderansicht ist, die schematisch die Struktur eines magnetoresistiven (MR) geschichteten Stücks gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 schematisch einen Weg eines elektrischen Stroms veranschaulicht, der durch das MR geschichtete Stück hindurchdringt;
6 eine vergrößerte vertikale Teilschnittansicht eines Wafers ist, die schematisch das MR geschichtete Stück veranschaulicht, das auf dem Wafer ausgebildet ist;
7 eine vergrößerte vertikale Teilschnittansicht des Wafers ist, die schematisch das Verfahren zum Ausbilden von Domänensteuerstreifenschichten veranschaulicht;
8 eine vergrößerte vertikale Teilschnittansicht des Wafers ist, die schematisch das Verfahren zum Ausbilden einer bedeckenden Isolierschicht veranschaulicht;
9 eine vergrößerte vertikale Teilschnittansicht des Wafers ist, die schematisch einen Photoresistfilm veranschaulicht, der eine Lücke entsprechend der Kontur einer Anschlusserhebung einer oberen Elektrode definiert;
10 eine vergrößerte vertikale Teilschnittansicht des Wafers ist, die schematisch das Verfahren eines Kontaktlochs veranschaulicht;
11 eine vergrößerte vertikale Teilschnittansicht des Wafers ist, die schematisch das Verfahren zum Ausbilden der oberen Elektrode veranschaulicht;
12 eine vergrößerte vertikale Teilschnittansicht des Wafers ist, die schematisch das Verfahren zum Ausbilden eines geschichteten Materialfilms veranschaulicht, der in das MR geschichtete Stück geschabt wird;
13 eine vergrößerte vertikale Teilschnittansicht ist, die schematisch das Verfahren zum Ausbilden des geschichteten Materialfilms veranschaulicht;
14 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Dicke der Sauerstoffgas ausgesetzten CoFeB-Schicht und der Größe sowie der Variation bei dem elektrischen Widerstand veranschaulicht;
15 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Dicke der Sauerstoffgas ausgesetzten CoFeB-Schicht und dem magnetoresistiven (MR) Verhältnis sowie der Variation bei der Spannung des angelegten elektrischen Stroms veranschaulicht;
16 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Menge der Fe-Zusammensetzung in der Sauerstoffgas ausgesetzten CoFeB-Schicht und der Größe sowie der Variation bei dem elektrischen Widerstand veranschaulicht;
17 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Menge der Fe-Zusammensetzung in der Sauerstoffgas ausgesetzten CoFeB-Schicht und dem MR-Verhältnis sowie der Variation bei der Spannung des angelegten elektrischen Stroms veranschaulicht;
18 eine vergrößerte Vorderansicht ist, die schematisch die Struktur eines MR geschichteten Stücks gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
19 eine vergrößerte Vorderansicht ist, die schematisch die Struktur eines MR geschichteten Stücks gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
20 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Dicke einer Sauserstoffgas ausgesetzten CoFeB-Schicht und der Größe sowie der Variation bei dem elektrischen Widerstand veranschaulicht; und
21 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Dicke einer Sauerstoffgas ausgesetzten CoFeB-Schicht und dem MR-Verhältnis sowie der Variation bei der Spannung des angelegten elektrischen Stroms veranschaulicht.
1 veranschaulicht schematisch die innere Struktur eines Festplattenlaufwerks (HDD) 11 als ein Beispiel eines Laufwerks mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium oder einer magnetischen Speichervorrichtung. Das HDD 11 enthält ein kastenförmiges Hauptgehäuse 12, das zum Beispiel einen Innenraum eines flachen Parallelepipeds definiert. Wenigstens ein Aufzeichnungsmedium oder eine magnetische Aufzeichnungsplatte 13 befindet sich in dem Innenraum innerhalb des Hauptgehäuses 12. Die magnetische Aufzeichnungsplatte 13 ist auf einer Antriebswelle eines Spindelmotors 14 befestigt. Der Spindelmotor 14 kann die magnetische Aufzeichnungsplatte 13 mit einer höheren Umdrehungsgeschwindigkeit, wie zum Beispiel 7.200 U/min oder 10.000 U/min drehen. Eine nicht gezeigte Abdeckung ist mit dem Hauptgehäuse 12 verbunden, um so den geschlossenen Innenraum zwischen sich und dem Hauptgehäuse 12 zu definieren.
In dem Innenraum des Hauptgehäuses 12 befindet sich auch eine Beförderungseinrichtung 16 für eine schwingende Bewegung um einen vertikalen Halteschaft 15. Die Beförderungseinrichtung 16 enthält einen starren Schwingarm 17, der sich in der horizontalen Richtung von dem vertikalen Halte schaft 15 erstreckt, und eine elastische Kopfaufhängung 18, die an das Spitzenende des Schwingarms 17 fixiert ist, um sich so nach vorne aus dem Schwingarm 17 zu erstrecken. Wie allgemein bekannt ist, ist ein Flugkopfgleitkörper 19 an dem Spitzenende der Kopfaufhängung 18 durch eine nicht gezeigte Kardanfeder einseitig befestigt. Die Kopfaufhängung 18 dient dazu, den Flugkopfgleitkörper 19 zu der Oberfläche der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 zu drücken. Wenn sich die magnetische Aufzeichnungsplatte 13 dreht, lässt man den Flugkopfgleitkörper 19 einen Luftstrom empfangen, der entlang der sich drehenden magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 erzeugt wird. Der Luftstrom dient dazu, eine Anhebung des Flugkopfgleitkörpers 19 zu erzeugen. Dem Flugkopfgleitkörper 19 wird so ermöglicht, über die Oberfläche der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 während des Drehens der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 mit einer größeren Stabilität zu fliegen, die durch das Gleichgewicht zwischen der Anhebung und der Druckkraft der Kopfaufhängung 18 erzeugt wird.
Wenn die Beförderungseinrichtung 16 angetrieben wird, um während des Flugs des Flugkopfgleitkörpers 19 um den Halteschaft 15 zu schwingen, wird dem Flugkopfgleitkörper 19 ermöglicht, die Aufzeichnungsspuren zu überqueren, die auf der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 in radialer Richtung der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 definiert sind. Diese radiale Bewegung dient dazu, den Flugkopfgleitkörper 19 richtig über eine gewünschte Aufzeichnungsspur auf der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 zu positionieren. In diesem Fall kann zum Beispiel ein elektromagnetischer Aktuator 21, wie beispielsweise ein Schwingspulenmotor (VCM) verwendet werden, um die Schwingbewegung der Beförderungseinrichtung 16 zu realisieren. Wie allgemein bekannt ist, sind in dem Fall, bei dem sich zwei oder mehr magnetische Aufzeichnungsplatten 13 in dem Innenraum des Hauptgehäuses 12 befinden, ein Paar der elastischen Kopfaufhängungen 18 auf einem einzelnen gemeinsamen Schwingarm 17 zwischen den benachbarten magnetischen Aufzeichnungsplatten 13 befestigt.
2 stellt ein spezielles Beispiel des Flugkopfgleitkörpers 19 dar. Der Flugkopfgleitkörper 19 dieses Typs enthält einen Gleitkörper 22 aus Al₂O₃-TiC in der Form eines flachen Parallelepipeds, und eine Kopfschutzschicht 24, die ausgebildet ist, um sich über das hintere oder Ausströmende des Gleitkörpers 22 zu erstrecken. Die Kopfschutzschicht 24 kann aus Al₂O₃ gebildet sein. Ein elektromagnetischer Schreib-/Lese-Wandler 23 ist in der Kopfschutzschicht 24 eingebettet. Eine mittig-gegenüberstehende Oberfläche oder Bodenfläche 25 ist kontinuierlich über den Gleitkörper 22 und die Kopfschutzschicht 24 ausgebildet, um so der Oberfläche der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 in einem Abstand gegenüber zu stehen. Die Bodenfläche 25 ist so ausgebildet, dass sie einen Luftstrom 26 empfängt, der entlang der Oberfläche der sich drehenden magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 erzeugt wird.
Ein Gleiterpaar 27 ist ausgebildet, um sich über die Bodenfläche 25 von dem vorderen oder Stromaufwärtsende zu dem hinteren oder Stromabwärtsende zu erstrecken. Der einzelne Gleiter 27 ist so beschaffen, dass er eine Luftlageroberfläche (ABS) 28 an seiner Oberseite definiert. Insbesondere erzeugt der Luftstrom 26 die vorerwähnte Anhebung bei den entsprechenden Luftlageroberflächen 28. Der in die Kopfschutzschicht 24 eingebettete elektromagnetische Schreib-/Lese-Wandler 23 liegt bei der Luftlageroberfläche 28 frei, wie nachfolgend detailliert beschrieben ist. In diesem Fall kann eine diamantartige Kohlenstoffschutzschicht (diamantartiger Kohlenstoff = DLC) über die Luftlageroberfläche 28 ausgebildet sein, um so das freiliegende Ende des elektromagnetischen Lese-/Schreib-Wandlers 23 zu bedecken. Der Flugkopfgleitkörper 19 kann eine andere als die oben beschriebene Gestalt oder Form aufweisen.
3 veranschaulicht eine vergrößerte detaillierte Ansicht des elektromagnetischen Schreib-/Lese-Wandlers 23, der an der Bodenfläche 25 freiliegt. Der elektromagnetische Lese-/Schreib-Wandler 23 enthält ein induktives Schreibelement oder einen Dünnfilm-Magnetkopf 31 und ein elektromagnetisches Wandlerelement mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene (CPP) Struktur oder ein magnetoresistives (MR) Leseelement mit CPP-Struktur 32. Der Dünnfilm-Magnetkopf 31 ist so gestaltet, dass er magnetische Bitdaten auf die magnetische Aufzeichnungsplatte 13 durch Verwenden eines magnetischen Felds schreibt, das zum Beispiel in einem nicht gezeigten, leitenden Wirbelspulenmuster induziert wird. Das MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 ist so gestaltet, dass es magnetische Bitdaten durch Verwenden von Variation bei dem elektrischen Widerstand als Antwort auf die Inversion der magnetischen Polarität in einem magnetischen Feld erfasst, das von der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 wirkt. Der Dünnfilm-Magnetkopf 31 und das MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 befinden sich zwischen einer Al₂O₃-Schicht (Al₂O₃ = Aluminiumoxid) 33 als einer oberen Halbschicht oder einem Deckschichtfilm und einer Al₂O₃-Schicht (Al₂O₃ = Aluminiumoxid) 34 als einer unteren Halbschicht oder einem Unterschichtfilm. Der Deckschicht- und der Unterschichtfilm bilden in Kombination die oben erwähnte Kopfschutzschicht 24.
Der Dünnfilm-Magnetkopf 31 enthält eine obere magnetische Polschicht 35, deren vorderes Ende bei der Luftlageroberfläche 28 freiliegt, und eine untere magnetische Polschicht 36, deren vorderes Ende in ähnlicher Weise bei der Luftlageroberfläche 28 freiliegt. Die obere und untere magnetische Polschicht 35, 36, können zum Beispiel aus FeN, NiFe oder dergleichen gebildet sein. Die Kombination aus der oberen und unteren magnetischen Polschicht 35, 36, bildet den magnetischen Kern des Dünnfilm-Magnetkopfs 31.
Eine nicht-magnetische Abstandsschicht 37 befindet sich zwischen der oberen und unteren magnetischen Polschicht 35, 36. Die nicht-magnetische Abstandsschicht 37 kann zum Beispiel aus Al₂O₃ (Aluminiumoxid) gebildet sein. Wenn ein magnetisches Feld bei dem leitenden Wirbelspulenmuster induziert wird, wird ein magnetischer Fluss zwischen der oberen und unteren magnetischen Polschicht 35, 36, ausgetauscht. Die nicht-magnetische Abstandsschicht 37 ermöglicht es, dass der ausgetauschte magnetische Fluss aus der Bodenfläche 25 austritt. Der so ausgetretene magnetische Fluss bildet ein magnetisches Feld zum Aufzeichnen aus, nämlich ein magnetisches Schreiblückenfeld.
Das MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 enthält eine untere Elektrode 38, die sich über die obere Oberfläche der Aluminiumoxidschicht 34 als eine Grundisolierschicht erstreckt. Die untere Elektrode 38 ist so gestaltet, dass sie eine elektrisch leitende Leitschicht 38a und ein elektrisch leitendes Anschlussstück 38b enthält, das auf der oberen Oberfläche der Leitschicht 38a steht. Die untere Elektrode 38 kann nicht nur eine Eigenschaft von elektrischen Leitern aufweisen, sondern auch eine weichmagnetische Eigenschaft. Wenn die untere Elektrode 38 zum Beispiel aus einem weichmagnetischen elektrischen Leiter gebildet ist, wie beispielsweise NiFe, kann die untere Elektrode 38 auch als eine untere Schutzschicht für das MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 dienen.
Die untere Elektrode 38 ist in eine Isolierschicht 41 eingebettet, die sich über die Oberfläche der Aluminiumoxidschicht 34 erstreckt. Die Isolierschicht 41 ist so gestaltet, dass sie sich über die Oberfläche der Leitschicht 38a erstreckt, um so die Seitenfläche des Anschlussstücks 38b zu kontaktieren. Hier kann eine flache Oberfläche 42 kontinuierlich über die obere Oberfläche des Anschlussstücks 38b und die obere Oberfläche der Isolierschicht 41 gebildet sein.
Ein elektromagnetischer Wandlerfilm oder magnetoresistives (MR) geschichtetes Stück 43 befindet sich auf der flachen Oberfläche 42, um sich so entlang der Luftlageroberfläche 28 zu erstrecken. Das MR geschichtete Stück 43 ist so gestaltet, dass es sich wenigstens über die obere Oberfläche des Anschlussstücks 38b erstreckt. Auf diese Weise kann eine elektrische Verbindung zwischen dem MR geschichteten Stück 43 und der unteren Elektrode 38 hergestellt werden. Die Struktur des MR geschichteten Stücks 43 wird nachfolgend detailliert beschrieben.
Auf ähnliche Weise befindet ein Paar an vormagnetisierenden hartmagnetischen Streifenschichten, nämlich Domänensteuerstreifenschichten 44, auf der flachen Oberfläche 42, um sich entlang der Luftlageroberfläche 28 zu erstrecken. Die Domänensteuerstreifenschichten 44 sind so gestaltet, dass sie zwischen sich das MR geschichtete Stück 43 entlang der Luftlageroberfläche 28 über die flache Oberfläche 42 beinhalten. Die Domänensteuerstreifenschichten 44 können aus einem metallischen Material gebildet sein, wie beispielsweise CoPt, CoCrPt oder dergleichen. Eine spezielle Magnetisierung wird in den Domänensteuerstreifenschichten 44 entlang einer vorbestimmten lateralen Richtung über das MR geschichtete Stück 43 hinweg erzeugt. Die Magnetisierung in den Domänensteuerstreifenschichten 44 dient auf diese Weise dazu, ein vormagnetisierendes Magnetfeld zwischen den Domänensteuerstreifenschichten 44 auszubilden. Das vormagnetisierende Magnetfeld ist so beschaffen, das es zum Beispiel die Einzeldomäneneigenschaft in einer freien ferromagnetischen Schicht in dem MR geschichteten Stück 43 realisiert.
Die flache Oberfläche 42 ist mit einer überdeckenden Isolierschicht 45 bedeckt. Die überdeckende Isolierschicht 45 ist so beschaffen, dass sie das MR geschichtete Stück 43 und die Domänensteuerstreifenschichten 44 gegen die Isolierschicht 41 hält. Eine obere Elektrode 46 kann sich über die obere Oberfläche der überdeckenden Isolierschicht 45 erstrecken. Auf die gleiche Weise wie die untere Elektrode 38 kann die obere Elektrode 46 nicht nur eine Eigenschaft von elektrischen Leitern, sondern auch eine weichmagnetische Eigenschaft aufweisen. Wenn die obere Elektrode 46 zum Beispiel aus einem weichmagnetischen elektrischen Leiter gebildet ist, wie beispielsweise NiFe, kann die obere Elektrode 46 auch als eine obere Abschirmschicht für das MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 dienen. Der zwischen der oben erwähnten unteren Abschirmschicht oder der unteren Elektrode 38 und der oberen Elektrode 46 definierte Raum legt die lineare Auflösung des magnetischen Aufzeichnens oder der Daten entlang der Aufzeichnungsspuren auf der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 fest. Die obere Elektrode 46 enthält eine Anschlusserhebung 47, die durch die überdeckende Isolierschicht 45 hindurchtritt, um so die obere Oberfläche des MR geschichteten Stücks 43 zu kontaktieren. Auf diese Weise kann ein Stromanschluss zwischen dem MR geschichteten Stück 43 und der oberen Elektrode 46 hergestellt werden.
Ein elektrischer Messstrom kann durch die obere und untere Elektrode 46, 38, dem MR geschichteten Stück 43 in dem MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 zugeführt werden. Wie sich aus 3 ergibt, dienen sowohl das Anschlussstück 38b als auch die Anschlusserhebung 47 dazu, den Weg für den zugeführten elektrischen Messstrom in dem MR geschichteten Stück 43 zu verkleinern. Darüber hinaus kann diese Art von MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 den Weg des elektrischen Messstroms bei der zentralen Fläche des MR geschichteten Stücks 43 bilden, fern von dem Kontakt zu den Domänensteuerstreifenschichten 44.
4 veranschaulicht ein MR geschichtetes Stück 43 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das MR geschichtete Stück 43 ist ein sogenannter einfacher Spinventilfilm des Typs, der eine freie ferromagnetische Schicht enthält, die oberhalb einer ferromagnetischen Pinned-Schicht angeordnet ist. Genauer ausgedrückt enthält das MR geschichtete Stück 43 eine Grundschicht 51, die sie über die flache Oberfläche 42 erstreckt. Die Grundschicht 51 enthält zum Beispiel eine Ta-Schicht 51a, die sich über die flache Oberfläche 42 erstreckt, und eine NiFe-Schicht 51b, die sich über die obere Oberfläche der Ta-Schicht 51a erstreckt. Eine Pinning-Schicht 52 überdeckt die obere Oberfläche der Grundschicht 51. Die Pinning-Schicht 52 kann aus einem antiferromagnetischen Material ausgebildet sein, wie beispielsweise PdPtMn.
Eine ferromagnetische Pinned-Schicht 53 überdeckt die obere Oberfläche der Pinning-Schicht 52. Ein mehrschichtiger ferrimagnetischer Strukturfilm kann als die ferromagnetische Pinned-Schicht 53 verwendet sein. Die ferromagnetische Pinned-Schicht 53 des mehrschichtigen ferromagnetischen Strukturfilms kann obere und untere ferromagnetische Schichten 53a, 53b, und eine Ru-Kopplungsschicht 54 enthalten, die zwischen der oberen und unteren ferromagnetischen Schicht 53a, 53b, angeordnet ist. Die obere und untere ferromagnetische Schicht 53a, 53b, können aus einer weichmagnetischen Legierungsschicht ausgebildet sein, wie beispielsweise einer CoFe-Schicht, einer CoFeB-Schicht oder dergleichen. Die ferromagnetische Pinned-Schicht 53 kann eine andere Struktur aufweisen.
Eine nicht-magnetische Zwischenschicht 55 überdeckt die obere Oberfläche der ferromagnetischen Pinned-Schicht 53.
Die nicht-magnetische Zwischenschicht 55 kann zum Beispiel aus einer oberen und unteren elektrisch leitenden Schicht 55a, 55b, ausgebildet sein. Eine Grenze BR ist zwischen den elektrisch leitenden Schichten 55a, 55b, definiert. Entlang der Grenze BR können ein magnetisches metallisches Material 56 und ein Isolationsmaterial 57 vorhanden sein. Das magnetische metallische Material 56 und das Isolationsmaterial 57 können über die Grenze BR hinweg miteinander gemischt sein. Die individuelle elektrisch leitende Schicht 55a, 55b, kann zum Beispiel aus einer Cu-Schicht ausgebildet sein. Das magnetische metallische Material 56 kann zum Beispiel aus einer weichmagnetischen Legierung ausgebildet sein, wie beispielsweise CoFe, CoFeB oder dergleichen. Das Isolationsmaterial 57 kann zum Beispiel aus einem Metalloxid oder einem Metallnitrid ausgebildet sein, das auf Grundlage des magnetischen metallischen Materials 56 erzeugt wurde. Andernfalls kann die nicht-magnetische Zwischenschicht 55 drei oder mehr elektrisch leitende Schichten enthalten. In diesem Fall können das magnetische metallische Material 56 und das Isolationsmaterial 57 über irgendwelche Grenzen BR hinweg existieren, die zwischen den benachbarten, elektrisch leitenden Schichten definiert sind.
Eine freie ferromagnetische Schicht 58 überdeckt die obere Oberfläche der nicht-magnetischen Zwischenschicht 55. Die nicht-magnetische Zwischenschicht 55 ist somit zwischen der freien ferromagnetischen Schicht 58 und der ferromagnetischen Pinned-Schicht 53 angeordnet. Die freie ferromagnetische Schicht 58 kann aus einer weichmagnetischen Legierungsschicht, wie beispielsweise einer CoFe-Schicht, einer CoFeB-Schicht oder dergleichen ausgebildet sein. Eine Deckschicht 59 überdeckt die obere Oberfläche der freien ferromagnetischen Schicht 58. Die Deckschicht 59 kann zum Beispiel eine Cu-Schicht 59a enthalten, die sich über die Ober fläche der freien ferromagnetischen Schicht 58 erstreckt, und eine Ru-Schicht 59b, die sich über die obere Oberfläche der Cu-Schicht 59a erstreckt.
Wenn das MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 sich zum Lesen von magnetischen Informationsdaten gegenüber der Oberfläche der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 befindet, kann die Magnetisierung der freien ferromagnetischen Schicht 58 in dem MR geschichteten Stück 43 oder Spinventilfilm als Antwort auf die Inversion der magnetischen Polarität rotieren, die von der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 angewandt wird. Die Rotation der Magnetisierung in der freien ferromagnetischen Schicht 58 induziert eine Variation bei dem elektrischen Widerstand des MR geschichteten Stücks 43, nämlich dem Spinventilfilm. Wenn dem MR geschichteten Stück 43 ein elektrischer Messstrom durch die obere und untere Elektrode 46, 38, zugeführt wird, tritt als Antwort auf die Variation bei der Magnetoresistenz eine Variation bei der Größe eines Parameters auf, wie beispielsweise der Spannung, bei der elektrischen Messstromleistung von der oberen und unteren Elektrode 46, 38. Die Variation bei der Größe kann verwendet werden, um ein magnetisches Datenbit zu erfassen, das auf der magnetischen Aufzeichnungsplatte 13 aufgezeichnet ist.
Das MR geschichtete Stück 43 ermöglicht einem elektrischen Messstrom, senkrecht zu der Richtung der Grenze BR zu fliesen. Wie in 5 gezeigt ist, wird angenommen, dass der elektrische Messstrom durch das magnetische metallische Material 56 bei der Lücke des Isolationsmaterials 57 eindringt. Das MR geschichtete Stück 43 realisiert eine größere Variation bei dem elektrischen Widerstand als Antwort auf die Rotation der Magnetisierung in der freien ferromagnetischen Schicht 58. Ein elektrischer Messstrom mit einem kleineren Wert wird noch verwendet, um eine ausreichende Varia tion bei einem elektrischen Parameter zu erhalten, wie beispielsweise der Spannung. Das erfindungsgemäße MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 des oben beschriebenen Typs trägt in großem Maße zu einer weiteren Verbesserung bei der Aufzeichnungsdichte und zur Verringerung bei dem Verbrauch an elektrischer Energie bei. Darüber hinaus kann der elektrische Widerstand des MR Leseelements mit CPP-Struktur 32 auf etwa ein Zehntel des elektrischen Widerstands des magnetoresistiven Tunnelübergangelements (TMR) verkleinert werden. Somit kann Erzeugung eines sogenannten thermischen Rauschens in dem MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 vermieden werden. Des Weiteren ermöglicht das MR Leseelement mit CPP-Struktur 32, dass die Domänensteuerstreifenschichten 44 leicht die Einzeldomäneneigenschaft in der freien ferromagnetischen Schicht 58 innerhalb des MR geschichteten Stücks 43 bilden.
Als Nächstes erfolgt die Beschreibung eines Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen MR Leseelements mit CPP-Struktur 32. Zuerst wird ein Wafer 61 aus Al₂O₃-TiC hergestellt. Die Gesamtoberfläche des Wafers 61 wird mit der Aluminiumoxidschicht 34 bedeckt. Wie aus 6 ersichtlich ist, wird die untere Elektrode 38 über die Oberfläche der Aluminiumoxidschicht 34 ausgebildet. Die untere Elektrode 38 wird dann in die Isolierschicht 41 eingebettet, die sich über die Oberfläche der Aluminiumoxidschicht 34 erstreckt. Wenn die Isolierschicht 41 zum Beispiel einer abflachenden Polierbehandlung unterzogen wird, wird dem Anschlussstück 38b der unteren Elektrode 38 ermöglicht, auf der flachen Oberfläche 42 freizuliegen. Auf diese Weise wird eine Substrukturschicht ausgebildet, um die untere Elektrode 38 wenigstens teilweise freizulegen.
Danach wird das MR geschichtete Stück 43 auf der oberen Oberfläche der Substrukturschicht oder der flachen Oberfläche 42 ausgebildet. Zuerst wird ein geschichteter Material film über die gesamte flache Oberfläche 42 ausgebildet. Der geschichtete Materialfilm enthält die Schichten, die mit jenen des MR geschichteten Stücks 43 identisch sind. Später wird detailliert ein Verfahren zum Ausbilden des geschichteten Materialfilms beschrieben. Das MR geschichtete Stück 43 wird aus dem geschichteten Materialfilm geschabt. Es kann eine Photolithographietechnik angewandt werden, um das MR geschichtete Stück 43 auszubilden. Auf diese Weise kann das MR geschichtete Stück 43 so ausgebildet werden, dass es auf der oberen Oberfläche der Grundschicht oder der flachen Oberfläche 42 steht.
Danach werden die Domänensteuerstreifenschichten 44 auf der flachen Oberfläche 42 ausgebildet, wie in 7 gezeigt ist. Zum Beispiel kann ein Sputterverfahren angewandt werden, um die Domänensteuerstreifenschichten 44 auszubilden. Bei einem Sputterverfahren wird zuerst ein nicht gezeigter Photoresistfilm über die flache Oberfläche 42 ausgebildet. Der Photoresistfilm dient dazu, einen Raum oder eine Lücke entsprechend der Form der Domänensteuerstreifenschichten 44 angrenzend zu dem MR geschichteten Stück 43 zu definieren. Die Domänensteuerstreifenschichten 44 werden innerhalb der Lücke ausgebildet. Die Domänensteuerstreifenschichten 44 müssen wenigstens die freie ferromagnetische Schicht 58 des MR geschichteten Stücks 43 zwischen sich aufnehmen. Die oberen Oberflächen der Domänensteuerstreifenschichten 44 verbleiben bevorzugt unterhalb der Deckschicht 59.
Wie in 8 gezeigt ist, wird danach die bedeckende Isolierschicht 45 über die gesamte flache Oberfläche 42 ausgebildet. Das MR geschichtete Stück 43 und die Domänensteuerstreifenschichten 44 werden mit der bedeckenden Isolierschicht 45 bedeckt. Es kann ein Sputterverfahren angewandt werden, um die bedeckende Isolierschicht 45 auszubilden. Bei dem Sputterverfahren kann ein Target aus einem Isolationsma terial, wie beispielsweise SiO₂, Al₂O₃ oder dergleichen verwendet werden. Danach wird ein Photoresistfilm 62 über die bedeckende Isolierschicht 45 ausgebildet, wie in 9 gezeigt ist. Es wird eine Lücke 63 entsprechend der Kontur der Anschlusserhebung 47 in dem Photoresistfilm 62 definiert.
Die bedeckende Isolierschicht 45, die mit dem Photoresistfilm 62 bedeckt ist, wird dann einem Ätzverfahren mit reaktiven Ionen (RIE) unterzogen. Bei dem RIE-Verfahren kann ein Ätzgas aus SF₆ angewandt werden. Wie in 10 gezeigt ist, dient das Ätzgas dazu, die bedeckende Isolierschicht 45 innerhalb der Lücke 63 zu entfernen. Auf diese Weise wird ein sogenanntes Kontaktloch 64 in der bedeckenden Isolierschicht 45 ausgebildet. Nachdem das Kontaktloch 64 ausgebildet worden ist kann der Photoresistfilm 62 entfernt werden.
Wie in 11 gezeigt ist, wird dann die obere Elektrode 46 ausgebildet, um sich über die bedeckende Isolierschicht 45 zu erstrecken. Die obere Elektrode 46 lässt man in das Kontaktloch 64 eintreten. Auf diese Weise kontaktiert die obere Elektrode 46 die obere Oberfläche des MR geschichteten Stücks 43, nämlich die Deckschicht 59. Das MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 ist somit gebildet. Wie allgemein bekannt ist, wird der Dünnfilm-Magnetkopf 31 über dem MR Leseelement mit CPP-Struktur 32 ausgebildet.
Wie in 12 gezeigt ist, ist die flache Oberfläche 42 so gestaltet, dass sie in dieser Reihenfolge beim Ausbilden des oben erwähnten geschichteten Materialfilms zum Beispiel eine Ta-Schicht 65 und eine NiFe-Schicht 66 als die Grundschicht 51, eine PdPtMn-Schicht 67 als die Pinning-Schicht 52, eine CoFeB-Schicht 68 sowie eine Ru-Schicht 69 und eine CoFeB-Schicht 71 als die ferromagnetische Pinned-Schicht 53, und eine Cu-Schicht 72 als die untere elektrisch leitende Schicht 55b aufnimmt. Es kann Sputtern in einer Vakuumkammer bewirkt werden, um so den geschichteten Materialfilm auszubilden.
Nachdem die Cu-Schicht 72 ausgebildet worden ist, wird das Ausbilden des magnetischen metallischen Materials über die Oberfläche der Cu-Schicht 72 in der Vakuumkammer durchgeführt. Zum Beispiel kann Sputtern angewandt werden. Als ein Sputtertarget wird ein Pulverpressling einer weichmagnetischen Legierung, wie beispielsweise CoFe, CoFeB oder dergleichen verwendet. Die Abscheidung oder Sputtergeschwindigkeit des Materials wird auf ungefähr 1,0 nm eingestellt. Ein kontinuierlicher "vollständiger" Film über die Oberfläche der Cu-Schicht 72 wird nicht erwartet. Es wird angenommen, dass die magnetischen Metallatome auf eine dispergierte Weise mit einer vorbestimmten Dichte vorliegen. Das magnetische Metallmaterial 56 wird somit ausgebildet, um über die Oberfläche der Cu-Schicht 72 dispergiert zu sein.
Wie aus 12 ersichtlich ist, wird dann zum Beispiel Sauerstoffgas in die Kammer eingeführt. Eine Oxidationsreaktion des magnetischen metallischen Materials 56 wird auf der Oberfläche der Cu-Schicht 72 induziert. Die Oxidationsreaktion ermöglicht die Erzeugung des Metalloxids, nämlich des Isolationsmaterials 57 aus dem magnetischen metallischen Material 56. Auf diese Weise wird das Isolationsmaterial 57 ausgebildet, um auf der Oberfläche der Cu-Schicht 72 dispergiert zu sein. Sofern das magnetische metallische Material 56 nicht vollständig oxidiert wird, bleibt die Mischung aus dem magnetischen metallischen Material 56 und dem Isolationsmaterial 57 auf der Oberfläche der Cu-Schicht 72 erhalten. An Stelle der oben erwähnten natürlichen Oxidation kann eine Plasmaoxidation oder radikalische Oxidation angewandt werden. Alternativ dazu kann die Oxidation durch Nitridieren ersetzt werden. Nitridieren kann zum Beispiel durch Einführen von Stickstoffgas in die Kammer bewirkt werden. Nitri dieren ermöglicht die Erzeugung eines Metallnitrids, nämlich des Isolationsmaterials 57 aus dem magnetischen metallischen Material 56.
Wie in 13 gezeigt ist, wird eine weitere Cu-Schicht 73 ausgebildet, um sich auf der Oberfläche der Cu-Schicht 72 zu erstrecken. Diese Cu-Schicht 73 ist so gestaltet, dass sie der oberen elektrisch leitenden Schicht 55a entspricht. Innerhalb der Vakuumkammer kann Sputtern bewirkt werden. Das magnetische metallische Material 56 und das Isolationsmaterial 57 befinden sich zwischen den Cu-Schichten 72, 73. Die Grenze BR kann zwischen den Cu-Schichten 72, 73, definiert werden. Eine CoFeB-Schicht 74, die der freien ferromagnetischen Schicht 58 entspricht, sowie eine Cu-Schicht 75 und eine Ru-Schicht 76, die beide der Deckschicht 59 entsprechen, werden dann ausgebildet, um sich über die Cu-Schicht 73 zu erstrecken.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die magnetoresistiven Eigenschaften eines erfindungsgemäßen MR geschichteten Stücks 43 beobachtet. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben für die Beobachtung spezielle Beispiele eines erfindungsgemäßen MR geschichteten Stücks 43 auf Wafern aus Al₂O₃-TiC hergestellt (wie oben beschrieben ist). Die Wafer haben in dieser Reihenfolge eine Ta-Schicht mit 5,0 nm Dicke, eine NiFe-Schicht mit 2,0 nm Dicke, eine PdPtMn-Schicht mit 13,0 nm Dicke, eine CoFeB-Schicht mit 3,0 nm Dicke, eine Ru-Schicht mit 0,75 nm Dicke, eine CoFeB-Schicht mit 4,0 nm Dicke, eine erste Cu-Schicht mit 2,0 nm Dicke, eine CoFeB-Schicht, eine zweite Cu-Schicht mit 2,0 nm Dicke, eine CoFeB-Schicht mit 3,0 nm Dicke, eine Cu-Schicht mit 4,0 nm Dicke und eine Ru-Schicht mit 5,0 nm Dicke aufgenommen. Die CoFeB-Schicht auf der ersten Cu-Schicht wurde vor Abscheidung der zweiten Cu-Schicht in der Kammer Sauerstoffgas ausgesetzt. Das Sauerstoffgas wurde mit einem Druck von 3,5 [Pa] in die Kammer zugeführt. Die Dauer der Zufuhr wurde auf 300 [s] eingestellt. Oxidation der CoFeB-Schicht stellte das oben erwähnte Isolationsmaterial 57 zwischen der ersten und zweiten Cu-Schicht zur Verfügung.
Das MR geschichtete Stück 43 wurde danach einer Wärmebehandlung unterzogen. Das MR geschichtete Stück 43 wurde bei einer Temperatur von 280 Grad Celsius für drei (3) Stunden in ein magnetisches Feld mit 2 [T] platziert. Auf diese Weise wurde die Gitterstruktur der PdPtMn-Schicht eingestellt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung stellten sechs Arten des MR geschichteten Stücks 43 her. Bei den jeweiligen MR geschichteten Stücken 43 wurde die Dicke der dem Sauerstoffgas auszusetzenden CoFeB-Schicht auf unterschiedliche Werte eingestellt.
Auf ähnliche Weise haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein Vergleichsbeispiel eines MR geschichteten Stücks hergestellt. Das Vergleichsbeispiel war so gestaltet, dass die CoFeB-Schicht zwischen der ersten und zweiten Cu-Schicht weggelassen wurde. Genauer ausgedrückt existierte kein Metalloxid in der nicht-magnetischen Zwischenschicht.
Bei den jeweiligen MR geschichteten Stücken 43 wurden die Größe RA und die Variation. ΔRA bei dem elektrischen Widerstand gemessen. Das Verhältnis der Magnetoresistenz (MR-Verhältnis) wurde auf Grundlage der gemessenen Größe RA und der Variation ΔRA berechnet. Der Stromwert Is wurde auf Grundlage der gemessenen Größe RA berechnet. Die MR geschichteten Stücke 43 wurden in eine quadratische Form von 0,1 [μm] × 0,1 [μm] gebracht. Der Stromverbrauch wurde auf einen konstanten Wert eingestellt (=550 μW). Die Variation ΔV der Spannung wurde auf Grundlage des berechneten Stromwerts Is und der Variation ΔRA des Widerstands berechnet. Wie in 14 und 15 gezeigt ist, wurde eine Größe RA von 0,085 Ωμm² und eine Variation ΔRA von 0,85 mΩμm² bei dem MR geschichteten Stück des Vergleichsbeispiels erhalten. Das MR-Verhältnis betrug 1,0%. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigte das MR geschichtete Stück 43 im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel eine bessere Größe RA und Variation ΔRA über die Dicke der CoFeB-Schicht, die dem Sauerstoffgas ausgesetzt worden war, im Bereich zwischen 0,69 nm und 1,04 nm, wie aus 14 ersehen werden kann. Zur gleichen Zeit zeigten die MR geschichteten Stücke 43 im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel ein besseres MR-Verhältnis und eine bessere Variation ΔV der Spannung, wie aus 15 ersehen werden kann. Auf diese Weise wurde die Nützlichkeit des magnetischen metallischen Materials 56 und des Isolationsmaterials 57 bestätigt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben weitere spezielle Beispiele des oben erwähnten MR geschichteten Stücks 43 auf die gleiche, wie oben beschriebene Weise auf Wafern hergestellt. Hier haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung anstelle der oben erwähnten CoFeB-Schicht eine CoFe-Legierung als das magnetische metallische Material 56 verwendet, das Sauerstoffgas ausgesetzt wurde. Die Dicke der CoFe-Legierung wurde auf 1,0 nm eingestellt. Die CoFe-Legierungsschicht wurde in der Sputterkammer vor der Abscheidung der zweiten Cu-Schicht auf die gleiche Weise wie oben beschrieben ist Sauerstoffgas ausgesetzt. Das Sauerstoffgas wurde der Kammer mit einem Druck von 3,5 [Pa] zugeführt. Die Dauer der Zufuhr wurde auf 300 [s] eingestellt. Oxidation der CoFe-Legierungsschicht stellte das oben erwähnte Isolationsmaterial 57 zwischen der ersten und zweiten Cu-Schicht bereit. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung stellten drei Arten des MR geschichteten Stücks 43 her. Die Menge an in der CoFe-Legierung enthaltener Fe-Zusammensetzung wurde in den jeweiligen MR geschichteten Stücken 43 auf verschiedene Werte eingestellt.
Bei den jeweiligen MR geschichteten Stücken 43 wurden die Größe RA und die Variation ΔRA bei dem Widerstand gemessen. Das MR-Verhältnis wurde auf Grundlage der gemessenen Größe RA und Variation ΔRA berechnet. Die Variation Δ V der Spannung wurde auf Grundlage des Stromwerts Is und der Variation ΔRA des Widerstands auf die gleiche, wie oben beschriebene Weise berechnet. Wie in 16 und 17 gezeigt ist, wurden im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel eine deutlich bessere Größe RA und Variation ΔRA erhalten, wenn die Menge der Fe-Zusammensetzung innerhalb der CoFe-Legierungsschicht, die Sauerstoffgas ausgesetzt wurde, 50 erreichte. Und im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel konnten bei den speziellen Beispielen des MR geschichteten Stücks 43 auch ein besseres MR-Verhältnis und eine bessere Variation ΔV der Spannung erhalten werden.
18 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MR geschichteten Stücks 43a. Das MR geschichtete Stück 43a ist ein sogenannter einfacher Spinventilfilm der Art, die eine freie ferromagnetische Schicht enthält, die unterhalb einer ferromagnetischen Pinned-Schicht angeordnet ist. Genauer ausgedrückt enthält das MR geschichtete Stück 43a eine Grundschicht 101 die sich über die flache Oberfläche 42 erstreckt. Die Grundschicht 101 kann zum Beispiel eine Ta-Schicht enthalten. Eine freie ferromagnetische Schicht 102 überdeckt die obere Oberfläche der Grundschicht 101. Die freie ferromagnetische Schicht 102 kann aus einer weichmagnetischen Legierungsschicht gebildet sein, wie beispielsweise einer CoFe-Schicht, einer CoFeB-Schicht oder dergleichen. Die oben erwähnte nichtmagnetische Zwischenschicht 55 überdeckt die obere Oberfläche der freien ferromagnetischen Schicht 102.
Eine ferromagnetische Pinned-Schicht 103 überdeckt die obere Oberfläche der nicht-magnetischen Zwischenschicht 55.
Ein mehrschichtiger ferromagnetischer Strukturfilm kann auf die gleiche, wie oben beschriebene Weise als die ferromagnetische Pinned-Schicht 103 verwendet werden. Die nichtmagnetische Zwischenschicht 55 ist somit zwischen der ferromagnetischen Pinned-Schicht 103 und der freien ferromagnetischen Schicht 102 angeordnet. Eine Pinning-Schicht 104 sowie eine Deckschicht 105 überdecken nacheinander die obere Oberfläche der Pinned-Schicht 103. Die Pinning-Schicht 104 kann aus einem antiferromagnetischen Material gemacht sein, wie beispielsweise PdPtMn. Die Deckschicht 105 kann aus einer Cu-Schicht, einer Ru-Schicht oder dergleichen ausgebildet sein.
19 veranschaulicht eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform eines MR geschichteten Stücks 43b. Das MR geschichtete Stück 43b ist ein sogenannter doppelter Spinventilfilm. Genauer ausgerückt enthält das MR geschichtete Stück 43a auf die gleiche, wie oben beschriebene Weise die Grundschicht 51, die Pinning-Schicht 52, die ferromagnetische Pinned-Schicht 53, die nicht-magnetische Zwischenschicht 55 und die freie ferromagnetische Schicht 58, die in dieser Reihenfolge die flache Oberfläche 42 überdecken. Die nicht-magnetische Zwischenschicht 55 überdeckt wieder die obere Oberfläche der freien ferromagnetischen Schicht 58.
Eine ferromagnetische Pinned-Schicht 111 überdeckt die obere Oberfläche der nicht-magnetischen Zwischenschicht 55. Zum Beispiel kann ein mehrschichtiger ferromagnetischer Strukturfilm als die ferromagnetische Pinned-Schicht 111 verwendet sein. Genauer ausgedrückt kann die ferromagnetische Pinned-Schicht 111 eine obere und untere ferromagnetische Schicht 111a, 111b, und eine Ru-Kopplungsschicht 112 enthalten, die zwischen der oberen und unteren ferromagnetischen Schicht 111a, 111b, angeordnet ist. Die obere und die untere ferromagnetische Schicht 111a, 111b, können aus einer weichmagnetischen Legierungsschicht ausgebildet sein, wie beispielsweise einer CoFe-Schicht, einer CoFeB-Schicht oder dergleichen. Die ferromagnetische Pinned-Schicht 53 kann eine andere Struktur aufweisen. Die nicht-magnetische Zwischenschicht 55 ist somit zwischen der ferromagnetischen Pinned-Schicht 111 und der freien ferromagnetischen Schicht 58 angeordnet.
Eine Pinning-Schicht 113 sowie eine Deckschicht 114 überdecken nacheinander die obere Oberfläche der Pinned-Schicht 111. Die Pinning-Schicht 113 kann aus einem antiferromagnetischen Material gebildet sein, wie beispielsweise PdPtMn. Die Deckschicht 114 kann zum Beispiel eine Cu-Schicht 114a und eine Ru-Schicht 114b enthalten.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die magnetoresistiven Eigenschaften des MR geschichteten Stücks 43b beobachtet. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben für die Beobachtung spezielle Beispiele des oben erwähnten MR geschichteten Stücks 43b auf Wafern aus Al₂O₃-TiC hergestellt. Auf die Wafer wurden in dieser Reihenfolge eine Ta-Schicht mit 5,0 nm Dicke, eine NiFe-Schicht mit 2,0 nm Dicke, eine PdPtMn-Schicht mit 13,0 nm Dicke, eine CoFeB-Schicht mit 3,0 nm Dicke, eine Ru-Schicht mit 0,75 nm Dicke, eine CoFeB-Schicht mit 4,0 nm Dicke, eine erste Cu-Schicht mit 2,0 nm Dicke, eine CoFeB-Schicht, eine zweite Cu-Schicht mit 2,0 nm Dicke, eine CoFeB-Schicht mit 3,0 nm Dicke, eine dritte Cu-Schicht mit 2,0 nm Dicke, eine CoFeB-Schicht, eine vierte Cu-Schicht mit 2,0 nm Dicke, eine CoFeB-Schicht mit 4,0 nm Dicke, eine Ru-Schicht mit 0,75 nm Dicke, eine CoFeB-Schicht mit 5,0 nm Dicke, eine PdPtMn-Schicht mit 13,0 nm Dicke, eine Cu-Schicht mit 4,0 nm Dicke und eine Ru-Schicht mit 5,0 nm Dicke aufgebracht. Die CoFeB-Schichten auf der ersten und dritten Cu-Schicht wurden in der Kammer vor dem Abscheiden der zweiten und vierten Cu-Schicht Sauerstoffgas ausgesetzt. Das Sauerstoffgas wurde der Kammer mit einem Druck von 3,5 [Pa] zugeführt. Die Dauer der Zufuhr wurde auf 100 [s] bzw. 300 [s] eingestellt. Oxidation der CoFeB-Schicht stellte das oben erwähnte Isolationsmaterial 57 zwischen der ersten und zweiten Cu-Schicht sowie der dritten und vierten Cu-Schicht bereit. Die PdPtMn-Schicht wurde danach auf die gleiche, wie oben beschriebene Weise eingestellt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Chargen spezieller Beispiele des MR geschichteten Stücks 43b hergestellt. Die Dicke der Sauerstoffgas auszusetzenden CoFeB-Schicht wurde bei den jeweiligen MR geschichteten Stücken 43b auf unterschiedliche Werte eingestellt.
Auf ähnliche Weise haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein Vergleichsbeispiel eines MR geschichteten Stücks hergestellt. Das Vergleichsbeispiel enthielt nicht die CoFeB-Schichten zwischen der ersten und zweiten Cu-Schicht sowie der dritten und vierten Cu-Schicht. Es existierte kein Metalloxid innerhalb der nicht-magnetischen Zwischenschicht.
Bei den jeweiligen MR geschichteten Stücken 43b wurden die Größe RA und die Variation ΔRA bei dem elektrischen Widerstand gemessen. Das MR-Verhältnis wurde auf Grundlage der gemessenen Größe RA und der Variation ΔRA berechnet. Die Variation ΔV der Spannung wurde auf Grundlage des berechneten Stromwerts Is und der Variation ΔRA des Widerstands auf die gleiche, wie oben beschriebene Weise berechnet. Wie in 20 und 21 gezeigt ist, wurde bei dem MR geschichteten Stück des Vergleichsbeispiels die Größe RA von 0,12 Ωμm² und die Variation ΔRA von 1,76 mΩμm² erhalten. Das MR-Verhältnis betrug 1,4%. Die Beispiele des MR geschichteten Stücks 43b zeigten im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel über die Dicke der CoFeB-Schichten, die Sauerstoffgas ausgesetzt worden waren, eine bessere Größe RA und Variation ΔRA im Bereich zwischen 0,75 nm und 1,15 nm. Gleichzeitig zeigten die Beispiele des MR geschichteten Stücks 43b im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel ein besseres MR-Verhältnis und eine bessere Variation ΔV der Spannung. Auf diese Weise wurde die Nützlichkeit des magnetischen metallischen Materials 56 und des Isolationsmaterials 57 bestätigt.
Es sei angemerkt, dass die oben erwähnte nichtmagnetische Zwischenschicht 55 eines erfindungsgemäßen MR geschichteten Stücks 43, 43a, 43b, mit der ferromagnetischen Pinned-Schicht 53, 103, 111, sowie der freien ferromagnetischen Schicht 58, 102, an der Grenze BR in Kontakt stehen kann. Mit anderen Worten können das oben erwähnte magnetische metallische Material 56 und die Isolationsschicht 57 zwischen der ferromagnetischen Pinned-Schicht 53, 103, 111, und der nicht-magnetischen Zwischenschicht 55, sowie zwischen der freien ferromagnetischen Schicht 58, 102, und der nichtmagnetischen Zwischenschicht 55 angeordnet sein.

Claims

Ein magnetoresistives Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur (43), das enthält: eine freie Magnetschicht (58); eine Pinned-Magnetschicht (53); und eine nicht-magnetische Zwischenschicht (55), die zwischen der freien Magnetschicht (58) und der Pinned-Magnetschicht (53) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass: die nicht-magnetische Zwischenschicht (55) aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist und eine Oberfläche aufweist, die eine Grenze (BR) der nicht-magnetischen Zwischenschicht (55) definiert; und Isolationsmaterial (57) auf der Grenze (BR) in einer dispergierten Weise existiert.
Das magnetoresistive Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur nach Anspruch 1, wobei die nichtmagnetische Zwischenschicht (55) eine Mehrzahl an elektrisch leitenden Schichten (55a, 55b) einschließt, die Grenze (BR) definiert ist zwischen wenigstens einem Paar der elektrisch leitenden Schichten (55a, 55b).
Das magnetoresistive Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die nicht-magnetische Zwischenschicht (55) eine Oberfläche aufweist, die sich in Kontakt befindet mit der freien Magnetschicht (58) oder der Pinned-Magnetschicht (53).
Das magnetoresistive Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Isolationsmaterial (57) ein Metalloxid oder ein Metallnitrid ist.
Das magnetoresistive Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur nach Anspruch 4, wobei das Isolationsmaterial (57) magnetische Metallatome einschließt.
Das magnetoresistive Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur nach Anspruch 5, wobei die magnetischen Metallatome irgendwelche aus Fe, Co und Ni sind.
Das magnetoresistive Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Isolationsmaterial (57) ein Oxid einer CoFe-Legierung ist.
Das magnetoresistive Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter enthaltend ein metallisches Material (56), das dispers auf der Grenze (BR) zusammen mit dem Isolationsmaterial (57) existiert.
Das magnetoresistive Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur nach Anspruch 8, wobei das metallische Material (56) magnetisch ist.
Das magnetoresistive Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur nach Anspruch 8 oder 9, wobei das metallische Material (56) irgendeines aus Fe, Co und Ni einschließt.
Das magnetoresistive Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur nach Anspruch 8 oder 9, wobei das metallische Material (56) eine weichmagnetische Legierung ist.
Das magnetoresistive Element mit Strom-senkrecht-zu-der-Ebene Struktur nach Anspruch 8 oder 9, wobei das metallische Material (56) CoFe oder CoFeB ist.