磁阻效应元件和其制备方法.pdf

本发明提供可实现更大MR变化率的磁阻效应元件。一种磁阻效应元件，其特征在于，具有磁阻效应膜和用于使电流沿与上述磁阻效应膜的膜面垂直的方向流过的一对电极，所述磁阻效应膜含有磁化方向实质上固定在单向上的磁化固定层、磁化方向根据外部磁场而变化的磁化自由层、在上述磁化固定层与上述磁化自由层之间设置的中间层、在上述磁化固定层或者磁化自由层上设置的盖层，和在上述磁化固定层中、上述磁化自由层中、上述磁化固定层与上述中间层的界面、上述中间层与上述磁化自由层的界面、以及上述磁化固定层或者磁化自由层与上述盖层的界面的任一者上设置的功能层，上述功能层含有包含Fe含量大于等于5原子％的金属材料和氮的层。

1.  一种磁阻效应元件，其特征在于，具有磁阻效应膜和用于使电流沿与上述磁阻效应膜的膜面垂直的方向流过的一对电极，
所述磁阻效应膜含有磁化方向实质上固定在单向上的磁化固定层、
磁化方向根据外部磁场而变化的磁化自由层、
在上述磁化固定层与上述磁化自由层之间设置的中间层、
在上述磁化固定层或者磁化自由层上设置的盖层、和
在上述磁化固定层中、上述磁化自由层中、上述磁化固定层与上述中间层的界面、上述中间层与上述磁化自由层的界面、以及上述磁化固定层或者磁化自由层与上述盖层的界面的任一者上设置的功能层，
上述功能层含有包含Fe含量大于等于5原子％的金属材料和氮的层。

2.  如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，上述功能层的结晶取向的分散角小于等于5度。

3.  如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，上述磁化固定层或者上述磁化自由层的结晶取向的分散角小于等于5度。

4.  如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，上述中间层是含有选自Au、Ag和Cu的元素的金属层。

5.  如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，上述中间层含有绝缘层和贯穿上述绝缘层的电流通路，所述绝缘层含有氧或者氮。

6.  如权利要求5所述的磁阻效应元件，其特征在于，上述电流通路含有选自Au、Ag、Cu、Fe、Co和Ni的元素。

7.  一种磁头万向接头组件，其具有如权利要求1所述的磁阻效应元件。

8.  一种磁记录装置，其具有如权利要求7所述的磁头万向接头组件。

9.  一种磁阻效应元件的制备方法，其是下述的磁阻效应元件的制备方法，所述磁阻效应元件具有磁阻效应膜和用于使电流沿与上述磁阻效应膜的膜面垂直的方向流过的一对电极，
所述磁阻效应膜含有磁化方向实质上固定在单向上的磁化固定层、
磁化方向根据外部磁场而变化的磁化自由层、在上述磁化固定层与上述磁化自由层之间设置的中间层、
在上述磁化固定层或者磁化自由层上设置的盖层、和
在上述磁化固定层中、上述磁化自由层中、上述磁化固定层与上述中间层的界面、上述中间层与上述磁化自由层的界面、以及上述磁化固定层或者磁化自由层与上述盖层的界面的任一者上设置的功能层，
其特征在于，在形成上述功能层时，将下述2个工序作为1个模式，重复该模式大于等于2次，所述2个工序是将Fe含量大于等于5原子％的金属层成膜的工序和将上述金属层暴露在氮氛围中的工序。

10.  如权利要求9所述的磁阻效应元件的制备方法，其特征在于，在将上述功能层的膜厚记作T纳米、将上述模式的重复次数记作N时，满足
N≥(T/0.5)×x，
这里，x为1～2的常数，T≥1。

11.  如权利要求9所述的磁阻效应元件的制备方法，其特征在于，1次成膜的上述金属层的膜厚小于等于1nm。

磁阻效应元件和其制备方法
技术领域
本发明涉及在磁阻效应膜的膜面的垂直方向流过读出电流并检测磁性的磁阻效应元件及其制备方法。
背景技术
目前，HDD(Hard Disk Drive)等的磁记录装置被用于个人电脑、便携型音乐·视频播放器、摄像机)、汽车导航系统等的用途。伴随着HDD用途的增加，人们越来越希望其记录容量增大。为了在不增加HDD体积的情况下提高记录容量，需要进一步提高每单位面积的记录密度。
伴随着记录密度的提高，记录在磁记录介质上的1位的面积变小。其结果是由记录介质发出的磁场信号变得极其微弱，用现有的再生磁头难以识别“0”或“1”。因此，伴随记录密度的提高，需要磁场感度高的再生磁头。
磁性装置，特别是磁头的性能通过使用巨磁阻效应(Giant Magneto-ResistiveEffect：GMR)或隧道MR效应(Tunneling Magnetoresistive Effect：TMR)而有飞跃性的提高。特别在自旋阀膜(Spin-Valve：SV膜)的磁头或MRAM(Magnetic Random Access Memory)等方面的应用给磁性装置领域带来大的技术进步。
“自旋阀膜”是具有在2个强磁性层之间夹有非磁性间隔层的结构的叠层膜，也称作为自旋依赖散射单元。这2个强磁性层的一方(称作为“销固层”或“磁化固定层”等)的磁化使用反强磁性层等固定，另一方(称作为“自由层”或“磁化自由层”等)的磁化可以根据外部磁场旋转。在自旋阀膜中，通过变化销固层与自由层的磁化方向的相对角度，可以得到巨大的磁阻变化。
在使用了自旋阀膜的磁阻效应元件中有CIP(Current In Plane)-GMR元件、CPP(CurrentPerpendicular to Plane)-GMR元件、和TMR(Tunneling MagnetoResistance)元件。在CIP-GMR元件中与自旋阀膜的膜面平行地通过读出电流，在CPP-GMR元件和TMR元件中，与自旋阀膜的膜面大致垂直的方向通过读出电流。高记录密度的磁头以沿相对于膜面垂直通过读出电流的方式进行移动。
目前，已知一种磁阻效应元件，其具有磁阻效应膜和在与上述磁阻效应膜的膜面大致垂直方向上通过读出电流的一对电极，所述磁阻效应膜具有销固层、自由层、间隔层、和在上述销固层、上述自由层中、上述销固层与上述间隔层的界面、或者上述自由层与上述间隔层的界面上形成的具有氧化物、氮化物或氮氧化物的薄膜层(专利文献1)。上述薄膜层由于可使上自旋(アップスピン)电子或者下自旋(ダウンスピン)电子中的任意一方优先透过，因此有助于产生更大的磁阻变化率(MR变化率：magnetoresistive ratio)。这种薄膜层称作为自旋滤波层(SF层)。SF层的膜厚即使薄，也可以使上自旋电子和下自旋电子的透过产生差异，因此对于磁头的狭窄间隙化也是有利的。
[专利文献1]日本专利特开2004-6589号公报
发明内容
但是，在现有的自旋滤波层中，上自旋电子与下自旋电子透过的差异不够充分，有能够实现更大MR变化率的空间。
本发明的目的在于提供可实现更大MR变化率的磁阻效应元件。
本发明的一个方式涉及一种磁阻效应元件，其特征在于，具有磁阻效应膜和用于使电流沿与上述磁阻效应膜的膜面垂直的方向流过的一对电极，所述磁阻效应膜含有磁化方向实质上固定在单向上的磁化固定层、磁化方向根据外部磁场而变化的磁化自由层、在上述磁化固定层与上述磁化自由层之间设置的中间层、在上述磁化固定层或者磁化自由层上设置的盖层，和在上述磁化固定层中、上述磁化自由层中、上述磁化固定层与上述中间层的界面、上述中间层与上述磁化自由层的界面、以及上述磁化固定层或者磁化自由层与上述盖层的界面的任一者上设置的功能层，所述功能层含有包含Fe含量大于等于5原子％的金属材料和氮的层。
本发明的其它方式涉及磁阻效应元件的制备方法，其是下述这样的磁阻效应元件的制备方法，所述磁阻效应元件具有磁阻效应膜和用于使电流沿与上述磁阻效应膜的膜面垂直的方向流过的一对电极，所述磁阻效应膜含有磁化方向实质上固定在单向上的磁化固定层、磁化方向根据外部磁场而变化的磁化自由层、在上述磁化固定层与上述磁化自由层之间设置的中间层、在上述磁化固定层或者磁化自由层上设置的盖层，和在上述磁化固定层中、上述磁化自由层中、上述磁化固定层与上述中间层的界面、上述中间层与上述磁化自由层的界面、以及上述磁化固定层或者磁化自由层与上述盖层的界面的任一者上设置的功能层，上述磁阻效应元件的制备方法特征在于，在形成上述功能层时，将下述2个工序作为1个模式，重复该模式大于等于2次，所述2个工序是将Fe含量大于等于5原子％的金属层成膜的工序和将上述金属层暴露在氮氛围中的工序。
根据本发明，可以提供能够实现更大MR变化率的磁阻效应元件。
附图说明
[图1]是实施方式的磁阻效应元件的截面图。
[图2]是实施方式的磁阻效应元件的截面图。
[图3]是实施方式的磁阻效应元件的截面图。
[图4]是说明实施方式的磁阻效应元件的制备方法的截面图。
[图5]是在制备实施方式的磁阻效应元件时使用的装置的构成图。
[图6]是表示图5的变换处理室的一个例子的构成图。
[图7]是表示实施例1～4和比较例1的磁阻效应元件的面阻抗(RA)和MR变化率的图。
[图8]是表示在氮或氧中暴露之前的金属母材的Fe组成与MR变化率的关系的图。
[图9]是实施方式的磁头的截面图。
[图10]是实施方式的磁头的截面图。
[图11]是实施方式的磁记录再生装置的立体图。
[图12]是实施方式的磁头万向接头组件的立体图。
[图13]是表示实施方式的磁存储器的矩阵构成的一个例子的图。
[图14]是表示实施方式的磁存储器的矩阵构成的其他例子的图。
[图15]是表示实施方式的磁存储器的重要部位的截面图。
[图16]是沿图15的A-A′线的截面图。
符号说明
1  基板，SV　磁阻效应膜，11　下电极，12　基底层，13　钉扎层，14　销固层，141　下部销固层，142　磁耦合层，143　上部销固层，15　下部金属层，16　间隔层，161　绝缘层，162　电流通路，17　上部金属层，18　自由层，19　盖层，20　上电极，21　SF层，22　SF层，41　偏压磁场外加膜，42　绝缘膜，43　保护层，50　运送室，51　加载互锁真空室，52　预净化室，53　第1金属成膜室，54　第2金属成膜室，60　变换处理室，61　真空泵，62　供给管，70　离子源，71、72、73　栅极，74　中和器，75　等离子体激发源，80　基板支架，150磁记录再生装置，152　主轴，153　磁头滑块，154　悬架装置，155　驱动器臂，156　音圈电动机，157　主轴，160　磁头组件，164　导线，200　磁记录磁盘，311　记忆元件部分，312　选择用晶体管部分，322　位线，322　配线，323　字线，323　配线，324　下部电极，326　过孔(ビア)，328　配线，330　开关晶体管，332　控制极(gate)，332　字线，334　位线，334　字线，350　列译码器，351　行译码器，352　读出放大器，360　译码器。
具体实施方式
本发明人发现：在以相对于膜面垂直通过读出电流的方式的磁阻效应元件中，当在磁化固定层中、磁化自由层中、磁化固定层与中间层的界面、中间层与磁化自由层的界面、以及磁化固定层或者磁化自由层与盖层的界面的任一者上设置含有包含大于等于5％Fe的金属材料和氮的功能层(自旋滤波层，SF层)时，可以实现大的MR变化率。
另外，本发明人发现通过改良功能层(SF层)的形成方法，可以制备上述实现了大的MR变化率的磁阻效应元件。
在现有的方法中，通过在基底层上将金属层成膜后，实施渗氮处理并将金属层变换为氮化物或氧氮化物，从而形成SF层。在该方法中，由于对于金属层的构成原子没有施加大的变换能量，因而金属层不能在整个膜厚范围下变换为氮化物或者氧氮化物。
在实施方式的磁阻效应元件的制备方法中，在形成功能层(SF层)时，将下述2个工序作为1个模式，重复该模式大于等于2次，所述2个工序是将Fe含量大于等于5原子％的金属层成膜的工序和将上述金属层暴露在氮氛围中的工序。此时，对于薄的金属层实施渗氮处理，可以对于金属层的每一个原子施加大的变换能量，因此能够在整个膜厚范围下将金属层变换为氮化物，可以提高作为SF层的功能。对于磁阻效应元件的制备方法，以后参考图4更为详细地进行说明。
以下，一边参考附图，一边对实施方式的磁阻效应元件进行说明。并且，在本说明书中，全部附图模式化地进行描述，各构成要素的大小(膜厚等)和构成要素之间的比例等与实物不同。
图1(a)和(b)、图2(a)和(b)、图3(a)和(b)中所示的磁阻效应元件的任一者都具有在没有图示的基板上叠层下电极11、磁阻效应膜SV和上电极20的结构。
图1(a)和(b)是表示在自由层中设置了SF层21的磁阻效应元件的一个例子的立体图。
图1(a)的磁阻效应膜SV具有将基底层12、钉扎层13、销固层14、下部金属层15、间隔层16、上部金属层17、自由层18、盖层19进行叠层而成的结构。销固层14具有将下部销固层141、磁耦合层142和上部销固层143进行叠层而成的结构。间隔层16具有含有绝缘层161和贯穿绝缘层161的电流通路162的、所谓电流狭窄(CCP：Current-ConfinedPath)结构。并且，CCP结构的情况，有包括下部金属层15、间隔层16和上部金属层17作为广义的间隔层进行操作的情况。自由层18具有将下部自由层181、SF层21和上部自由层182进行叠层而成的结构。
对于图1(b)的磁阻效应膜SV，除了间隔层16包含金属层，且省略了下部金属层15和上部金属层17以外，其他具有与图1(a)同样的结构。
图2(a)和(b)是表示在上部销固层中设置了SF层22的磁阻效应元件的一个例子的立体图。图2(a)中间隔层16具有CCP结构。图2(b)中间隔层16包含金属层。
对于图3(a)的磁阻效应膜SV，除了上部销固层具有将第1上部销固层144、SF层22和第2上部销固层145叠层而成的结构，且自由层18包含1层的磁性层以外，其他具有与图2(a)同样的结构。
对于图3(b)的磁阻效应膜SV，除了间隔层16包含金属层，且省略了下部金属层15和上部金属层17以外，其他具有与图3(a)同样的结构。
图3(a)和(b)是表示在上部销固层中设置了SF层22、且在自由层18中设置了SF层21的磁阻效应元件的一个例子的立体图。图3(a)中间隔层16具有CCP结构。图3(b)中间隔层16包含金属层。其他结构如参考图1(a)和(b)、图2(a)和(b)进行说明的一样。
以下，说明磁阻效应元件的构成要素。
下电极11和上电极20是用于在自旋阀膜SV的垂直方向上通电的一对电极。通过在下电极11与上电极20之间外加电压，读出电流沿自旋阀膜的膜面垂直方向流动。通过读出电流并检测由磁阻效应引起的阻抗的变化，由此可以进行磁性的检测。为了使电流通过磁阻效应元件，可以在下电极11中使用电阻较小的金属，例如NiFe、Cu等。
基底层12具有作为缓冲层和晶种层等的功能。缓冲层是用于缓和下电极11表面的粗糙的层。晶种层是用于控制在其上成膜的自旋阀膜的结晶取向和结晶粒径的层。
缓冲层可以使用Ta、Ti、W、Zr、Hf、Cr或者它们的合金。缓冲层的膜厚优选2～10nm左右，更优选3～5nm左右。当缓冲层的厚度过于薄时，缓冲效果丧失。另一方面，当缓冲层的厚度过于厚时，使对于MR变化率没有作用的串行阻抗增大。并且，当在缓冲层上成膜的晶种层具有缓冲效应时，不需要一定设置缓冲层。优选的例子可以列举膜厚约为3nm的Ta。
晶种层可以使用能够控制在其上成膜的层的结晶取向的材料。作为晶种层，优选具有fcc结构(face-centered cubic structure：面心立方结构)、hcp结构(hexagonal close-packedstructure：六角密集结构)、或者bcc结构(body-centered cubic structute：体心立方结构)的金属层等。例如通过使用具有hcp结构的Ru或者具有fcc结构的NiFe，可以使其上的自旋阀膜的结晶取向为fcc(111)取向。另外，可以良好地形成钉扎层13(例如IrMn)的结晶取向。除了上述材料以外，还可以使用Cr、Zr、Ti、Mo、Nb、W或者它们的合金。为了充分发挥使结晶取向提高的功能，晶种层的膜厚优选为1～5nm，更优选1.5～3nm。当晶种层的厚度过于薄时，结晶取向控制等的效果丧失。另一方面，当晶种层的厚度过于厚时，有时导致串行阻抗的增大，进而形成自旋阀膜表面的凸凹的原因。优选的例子可以列举膜厚约为2nm的Ru。
自旋阀膜或钉扎层13的结晶取向性可以通过X射线衍射进行测定。自旋阀膜的fcc(111)峰、bcc(110)峰或者钉扎层13(IrMn)的fcc(111)峰中的摇摆曲线的半值宽度为3.5～6度，可以得到良好的取向性。并且，该取向的分散角可以由使用了截面TEM的衍射斑来判别。
作为晶种层，也可以使用以NiFe为基质的合金，例如Ni_xFe_100-x(x＝90～50％，优选75～85％)或者在NiFe中添加第3元素X而形成非磁性的(Ni_xFe_100-x)_100-yX_y(X＝Cr、V、Nb、Hf、Zr、Mo)，来替代Ru。以NiFe为基质的晶种层比较容易得到良好的结晶取向性，可以使与上述同样测定的摇摆曲线的半值宽度为3～5度。
晶种层不仅具有提高结晶取向的功能，还具有控制在其上形成的层的结晶粒径的功能。在晶种层上形成的层中的结晶粒子的粒径可以利用截面TEM等来决定。当销固层14是位于与间隔层16相比在下层的位置的底型自旋阀膜时，其决定在晶种层上形成的钉扎层13(反强磁性层)或销固层14(磁化固定层)的结晶粒径。
在与高密度记录相对应的再生磁头中，元件尺寸例如形成小于等于100nm。当结晶粒径相对于元件尺寸的比例增大，每单位元件面积的结晶粒子的数目变小时，能够形成特性偏差的原因，因此不太优选增大结晶粒径。特别不优选在形成电流通路的CCP-CPP元件中增大结晶粒径。另一方面，即使结晶粒径过于变小，一般也难以维持良好的结晶取向。因此，自旋阀膜的结晶粒径优选5～40nm的范围，更优选5～20nm的范围。如果在这样的结晶粒径的范围下，即使减小磁阻效应元件的尺寸，也可以不招致特性的偏差而实现高的MR变化率。
为了得到该范围的结晶粒径，优选使用膜厚约为2nm的Ru来作为晶种层。另外，当使用(Ni_xFe_100-x)_100-yX_y(X＝Cr、V、Nb、Hf、Zr、Mo)作为晶种层时，优选使第3元素X的组成y为0～30％左右(还含有y为0％的情况)。
另一方面，在MRAM用途等中，元件尺寸有大于等于100nm的情况，有时即使结晶粒径大至40nm左右也不成问题。即，通过使用晶种层，有时即使结晶粒径粗大化也无妨。在使结晶粒径比40nm更为粗大化时，晶种层的材料优选使用例如在以NiFeCr基质中大量含有35～45％左右的Cr量且表现为fcc与bcc的边界相的合金、或具有bcc结构的合金。
钉扎层13具有赋予强磁性层单向各向异性(unidirectional anisotropy)、将磁化固定的功能，所述强磁性层形成为在上述钉扎层13上成膜的销固层14。钉扎层13的材料可以使用IrMn、PtMn、PdPtMn、RuRhMn等的反强磁性材料。其中，在对应高记录密度的磁头用途中，IrMn是有利的。IrMn能够以比PtMn薄的膜厚外加单向各向异性，适合于为了进行高密度记录而所需的狭窄间隙化。
为了赋予足够强的单向各向异性，适当地设定钉扎层13的膜厚。当钉扎层13的材料为PtMn或PdPtMn时，膜厚优选为8～20nm左右，更优选10～15nm。当钉扎层13的材料为IrMn时，即使以比PtMn等薄的膜厚也可以赋予单向各向异性，优选其膜厚为3～12nm，更优选4～10nm。优选的一个例子可以列举膜厚约为7nm的IrMn。
作为钉扎层13，也可以使用硬磁性层代替反强磁性层。硬磁性层可以列举例如CoPt(Co＝50～85％)、(Co_xPt_100-x)_100-yCr_y(x＝50～85％，y＝0～40％)、FePt(Pt＝40～60％)。由于硬磁性层(特别是CoPt)的比阻抗较小，因而可以抑制串行阻抗和面阻抗RA的增大。
作为销固层14的优选例子，可以列举包含下部销固层141(例如Co₉₀Fe₁₀[3.5nm])、磁耦合层142(例如Ru)和上部销固层143(例如Fe₅₀Co₅₀[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe₅₀Co₅₀[1nm])的合成销固层。钉扎层13(例如IrMn)与其正上方的下部销固层141进行交换磁性耦合，以具有单向各向异性(unidirectional anisotropy)。磁耦合层142上下的下部销固层141和上部销固层143以磁化的方向相互呈反平行的方式进行强的磁性耦合。
作为下部销固层141的材料，可以使用例如Co_xFe_100-x合金(x＝0～100％)、Ni_xFe_100-x合金(x＝0～100％)或者在这些合金中添加非磁性元素而成的材料。作为下部销固层141的材料，也可以使用Co、Fe、Ni的单元素或它们的合金。
下部销固层141的磁性膜厚(饱和磁化Bs×膜厚t，Bs·t积)优选与上部销固层143的磁性膜厚大致相等。即，优选上部销固层143的磁性膜厚与下部销固层141的磁性膜厚相对应。作为一个例子，当上部销固层143为Fe₅₀Co₅₀[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe₅₀Co₅₀[1nm]时，薄膜中的FeCo的饱和磁化约为2.2T，因此磁性膜厚为2.2T×3nm＝6.6Tnm。由于Co₉₀Fe₁₀的饱和磁化约为1.8T，所以赋予与上述相等的磁性膜厚的下部销固层141的膜厚t为6.6Tnm/1.8T＝3.66nm。因此，优选使用膜厚约为3.6nm的Co₉₀Fe₁₀。另外，当使用IrMn作为钉扎层13时，优选下部销固层141的组成与Co₉₀Fe₁₀相比稍微增加Fe的组成。具体来说，Co₇₅Fe₂₅等是优选的例子。
在下部销固层141中使用的磁性层的膜厚优选为1.5～4nm左右。这是基于由钉扎层13(例如IrMn)导致的单向各向异性磁场强度和以磁耦合层142(例如Ru)为中介的下部销固层141与上部销固层143的反强磁性耦合磁场强度的观点所作出的。当下部销固层141过于薄时，MR变化率变小。另一方面，当下部销固层141过于厚时，难以得到装置运行所需要的充分的单向性各向异性磁场。优选的例子可以列举膜厚约为3.6nm的Co₇₅Fe₂₅。
磁耦合层142(例如Ru)具有使上下的磁性层(下部销固层141和上部销固层143)产生反强磁性耦合而形成合成销结构的功能。作为磁耦合层142的Ru层的膜厚优选为0.8～1nm。并且，只要是可使上下的磁性层产生充分的反强磁性耦合的材料，也可以使用Ru以外的材料。还可以使用与RKKY耦合的第1峰对应的膜厚0.3～0.6nm来代替与RKKY(Ruderman-Kitte1-Kasuya-Yosida)耦合的第2峰对应的膜厚0.8～1nm。作为例子，可以列举能够得到更高可靠性的稳定耦合的特性的、膜厚约为0.9nm的Ru。
作为上部销固层143的一个例子，可以使用(Fe₅₀Co₅₀[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe₅₀Co₅₀[1nm]这样的磁性层。上部销固层143形成自旋依赖散射单元的一部分。上部销固层143是直接赋予MR效应的磁性层，为了得到大的MR变化率，其构成材料和膜厚这两者是重要的。特别地，位于与间隔层16的界面的磁性材料在有助于自旋依赖界面散射这方面是重要的。
上部销固层143优选使用例如具有bcc结构的磁性材料。当使用具有bcc结构的磁性材料作为上部销固层143时，自旋依赖界面散射效应大，因此可以实现大的MR变化率。作为具有bcc结构的FeCo系合金，可以列举Fe_xCo_100-x(x＝30～100％)或在Fe_xCo_100-x中加入添加元素而成的材料。特别地，满足各特性的Fe₄₀Co₆₀～Fe₆₀Co₄₀，其中尤其是Fe₅₀Co₅₀为优选的材料。
当在上部销固层143中使用具有易于实现高MR变化率的bcc结构的磁性层时，优选该磁性层的总膜厚大于等于1.5nm。这是为了稳定地保持bcc结构。在自旋阀膜中使用的金属材料多为fcc结构或者fct结构，因而可以是仅上部销固层143具有bcc结构。因此，当上部销固层143的膜厚过于薄时，难以稳定地保持bcc结构，不能得到高的MR变化率。作为上部销固层143的例子列举的(Fe₅₀Co₅₀[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe₅₀Co₅₀[1nm]具有总膜厚为3nm的FeCo和在每1nm的FeCo上叠层0.25nm的Cu，总膜厚为3.5nm。另一方面，上部销固层143的膜厚优选小于等于5nm。这是为了得到大的销拴固定磁场。为了兼顾大的销拴固定磁场和bcc结构的稳定性，优选具有bcc结构的上部销固层143的膜厚为2.0～4nm左右。
作为上部销固层143，也可以使用在现有磁阻效应元件中广泛使用的具有fcc结构的Co₉₀Fe₁₀合金、或具有hcp结构的钴合金来代替具有bcc结构的磁性材料。作为上部销固层143，也可以使用含有Co、Fe、Ni等单质金属或者它们中的任一种元素的合金材料。作为上部销固层143的磁性材料，如果以对于得到大的MR变化率是有利的程度进行排列，则可以排列为具有bcc结构的FeCo合金材料、具有大于等于50％的钴组成的钴合金、具有大于等于50％的Ni组成的镍合金的顺序。
作为上部销固层143的例子列举的(Fe₅₀Co₅₀[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe₅₀Co₅₀[1nm]是将磁性层(FeCo层)与非磁性层(极薄Cu层)交互叠层而成的层。在具有这种结构的上述销固层143中，利用极薄的Cu层可以使称作为自旋依赖体积散射效应的自旋依赖散射效应提高。
“自旋依赖体积散射效应”是与“自旋依赖界面散射效应”对应而形成的用语。自旋依赖体积散射效应是指在磁性层内部显示MR效应的现象。自旋依赖界面散射效应是指在间隔层与磁性层的界面显示MR效应的现象。
当如图2(a)和(b)所示在上部销固层中插入SF层22时，有提高MR变化率的效果。对于如图2(a)所示间隔层为CCP结构、如图2(b)所示间隔层为金属层的任一种情况，都可以期待MR变化率提高的效果。对于SF层22的材料或制作方法等，由于与在自由层中设置SF层21的情况相关联而在以后进行详述，因而这里省略叙述。
以下，对于由使用具有磁性层和非磁性层的叠层结构的上部销固层而导致的体积散射效应的增加进行说明。
对于图1(a)这样的具有CCP结构的CPP-GMR元件的情况，在间隔层的附近电流被狭窄化，因此界面附近的阻抗所起的作用非常大。即，在间隔层16与磁性层(销固层14和自由层18)的界面处的阻抗占磁阻效应元件整体的阻抗的比例大。这表示在CCP-CPP元件中，自旋依赖界面散射效应所起的作用非常大，且很重要。即，位于间隔层16界面的磁性材料的选择与现有CPP元件的情况相比具有重要的意义。在销固层143中使用具有bcc结构的FeCo合金层的原因是由于如上所述的自旋依赖界面散射效应大的缘故。
但是，为了得到更高的MR变化率，使用体积散射效应大的材料也是重要的。为了得到体积散射效应，优选极薄Cu层的膜厚为0.1～1nm，更优选0.2～0.5nm。当Cu层的膜厚过于薄时，体积散射效应增加的效果变弱。当Cu层的膜厚过于厚时，体积散射效应减少，而且以非磁性的Cu层介导的上下磁性层的磁性耦合变弱，销固层14的特性变得不充分。由于这些原因，在作为优选例子列举的上部销固层中使用膜厚为0.25nm的Cu。
作为上部销固层143中磁性层间的非磁性层的材料，也可以使用Hf、Zr、Ti等来代替Cu。当插入这些极薄的非磁性层时，FeCo等磁性层的每一层的膜厚优选为0.5～2nm，更优选1～1.5nm左右。
作为上部销固层143，也可以使用将FeCo与Cu合金化的层来代替FeCo层与Cu层的交互叠层结构。这种FeCoCu合金可以列举例如(Fe_xCo_100-x)_100-yCu_y(x＝30～100％，y＝3～15％左右)，但也可以使用这以外的组成范围。作为在FeCo中添加的元素，也可以使用Hf、Zr、Ti等其他元素来代替Cu。
上部销固层143也可以使用包含Co、Fe、Ni或这些合金的单层膜。例如作为最单纯结构的上述销固层143，可以使用一直以来被广泛使用的2～4nm的Co₉₀Fe₁₀单层。在该材料中也可以添加其他的元素。
对于间隔层16，可以使用具有绝缘层161和贯穿绝缘层161的电流通路162的CCP结构的层，和包含金属层(全金属)的层。
对于含有下部金属层15、间隔层16和上部金属层17的CCP结构的间隔层(广义)进行说明。
下部金属层15是作为电流通路162材料的供给源使用后的残留层，有时作为最终形态也不一定残留。
在CCP结构的间隔层中，绝缘层161由氧化物、氮化物、氮氧化物等形成。绝缘层161可以使用具有Al₂O₃这样的非晶型结构、以及具有MgO这样的结晶结构的任一种的层。为了发挥作为间隔层的功能，绝缘层161的厚度优选为1～3.5nm的范围，更优选1.5～3nm的范围。
在绝缘层161中使用的典型材料可以列举Al₂O₃和在其中加入添加元素而成的材料。作为例子，可以使用膜厚约为2nm的Al₂O₃。添加元素有Ti、Hf、Mg、Zr、V、Mo、Si、Cr、Nb、Ta、W、B、C、V等。这些添加元素的添加量可以在0％～50％左右的范围下适当变化。
在绝缘层161中，也可以使用Ti氧化物、Hf氧化物、Mg氧化物、Zr氧化物、Cr氧化物、Ta氧化物、Nb氧化物、Mo氧化物、Si氧化物、V氧化物等来代替Al₂O₃这样的Al氧化物。即使对于这些氧化物，也可以使用上述添加元素。添加元素的添加量可以在0％～50％左右的范围下适当变化。
作为绝缘层161，也可以使用以Al、Si、Hf、Ti、Mg、Zr、V、Mo、Nb、Ta、W、B、C为基质的氮化物或氮氧化物来代替氧化物。
电流通路162形成沿间隔层16的膜面垂直方向流过电流的狭窄的通路(路径)，其例如含有Cu等的金属。当在间隔层16中使用CCP结构时，利用电流狭窄效应可以增大MR变化率。在电流通路162的材料中，除了Cu以外，还可以使用Au、Ag、Al、Ni、Co、Fe和含有这些元素中的至少一种的合金。作为含有Cu的合金的例子，可以列举例如CuNi、CuCo、CuFe等。为了提高MR变化率、减小销固层14和自由层18的层间耦合磁场(interlayercoupling field，Hin)，优选使用具有含有大于等于50％Cu的组成的合金。
形成电流通路162的材料也可以用于包含金属层(全金属)的间隔层。特别地，全金属的间隔层优选用选自Au、Ag和Cu的元素来形成。全金属间隔层的膜厚优选为1.5～3nm左右。
电流通路162与绝缘层161相比是氧、氮的含量显著少(氧或氮的含量的比例大于等于2倍)的区域，其一般为结晶相。结晶相与非结晶相相比阻抗小，因此作为电流通路162是优选的。
上部金属层17构成广义的间隔层的一部分。上述金属层17具有作为阻挡层的功能，以保护在其上成膜的自由层18与间隔层16的氧化物相接而不被氧化，其还具有使自由层18的结晶性良好的功能。例如当绝缘层161的材料为非晶型(例如Al₂O₃)时，在其上成膜的金属层的结晶性变差。因此，通过配置使fcc结晶性良好的层(例如可以是Cu层，小于等于1nm左右的膜厚)来作为上部金属层17，可以显著改善自由层18的结晶性。
并且，根据间隔层16的材料或自由层18的材料，不一定需要设置上部金属层17。通过退火条件的最优化、或间隔层16的绝缘材料的选择、自由层18的材料的选择等，如果能够回避结晶化的降低，则可以不要间隔层16上的金属层17。
但是，考虑到制备上的限度，当采用CCP结构时，优选在间隔层16上形成上部金属层17。上部金属层17的优选例子可以列举膜厚约为0.5nm的Cu。
作为上部金属层17的材料，除了Cu以外，也可以使用Au、Ag、Ru等。上部金属层17的材料优选与间隔层16的电流通路162的材料相同。当上部金属层17的材料与电流通路162的材料不同时，导致界面阻抗的增大，但如果两者为相同的材料，则不产生界面阻抗的增大。
上部金属层17的膜厚优选为0～1nm，更优选0.1～0.5nm。当上部金属层17过于厚时，在间隔层16中狭窄化的电流在上部金属层17中扩大，电流狭窄效应变得不充分，导致MR变化率的降低。
自由层18是含有强磁性体的层，所述强磁性体根据外部磁场，其磁化方向发生变化。例如在图1(a)和(b)的磁阻效应元件中，通过设置包含金属材料的氮化物且具有自旋滤波效果的SF层21作为自由层18的一部分，可以在不增加膜厚的情况下实现更大的MR变化率。作为可变换为含有氮化物的SF层的金属材料，可以使用含有Fe和选自Co、Ni和B的元素、且Fe含量大于等于5原子％的材料。
并且，也可以如图2(a)和(b)所示在上部销固层中设置SF层22，还可以如图3(a)和(b)所示，在自由层18中设置SF层22，同时在上部销固层中设置SF层22。在自由层中或者销固层中也可以设置多个SF层。另外，也可以在销固层14与间隔层16的界面、间隔层16与自由层18的界面、自由层18与盖层19的界面设置SF层。
盖层19具有保护自旋阀膜的功能。盖层19可以制成多个金属层，例如Cu层和Ru层的2层结构(Cu[1nm]/Ru[10nm])。盖层19也可以使用在自由层18一侧配置了Ru的Ru/Cu层。此时，Ru的膜厚优选为0.5～2nm左右。该结构的盖层19特别在自由层18包含NiFe的情况是优选的。Ru与Ni呈非固溶的关系，因此可以减少在自由层18与盖层19之间形成的界面混合层的磁变形。
对于盖层19为Cu/Ru和Ru/Cu的任一种情况，Cu层的膜厚都优选为0.5～10nm左右，Ru层的膜厚都优选为0.5～5nm左右。Ru由于比阻抗值高，所以不优选使用厚的Ru层。
作为盖层19，也可以设置其他的金属层来代替Cu层或Ru层。只要是可保护自旋阀膜的材料，还可以将其他材料用于盖层19。但是，通过盖层的选择，有时可以改变MR变化率或长期可靠性，因此需要注意。从这些观点的角度考虑，优选Cu或Ru作为盖层的材料。
在上电极20中，可以使用对于电是低阻抗的材料，例如Cu、Au、NiFe等。
其次，对于实施方式的磁阻效应元件的制备方法进行说明。图4(a)～(e)是表示在制备图1(b)的磁阻效应元件时，用于在下部自由层181上形成SF层21的制备工序的截面图。
如图4(a)所示，在下部自由层181上将变换为SF层21的第1金属层211成膜。第1金属层211包含Fe含量大于等于5原子％的金属材料。
如图4(b)所示，对于第1金属层211实施变换处理，形成含有氮的变换层211′。该变换层211′形成SF层21的一部分。在该变换处理中，仅将金属层211的表面暴露在氮氛围下不能变换为期望的变换层。需要在氮氛围中通过离子束将运动能量给予金属层的原子，同时进行变换处理。在这种处理中，能量协助对金属层的原子发挥作用。通过将第1金属层211薄薄地堆积而进行变换处理，可以沿深度方向实施均匀的变换处理。
如图4(c)所示，将在变换层211′上变换为SF层21的第2金属层212再次成膜。第2金属层212也包含Fe含量大于等于5原子％的金属材料。
如图4(d)所示，与图4(b)同样，对于第2金属层212再次实施变换处理，形成含有氮的变换层212′。此时，不光仅在第2金属层212中进行变换，而且有时在正下方的变换层211′、进而在下部自由层181也进行变换。由于氮化物的生成能量根据金属材料而有所不同，因此变换进行的深度很大程度依赖于金属材料的组成和结晶结构等。
以下，根据最终完成的SF层21的膜厚改变分割次数，将金属层的成膜和变换处理作为1个模式，将该模式仅以需要的次数重复进行，形成SF层21。
其后，如图4(e)所示，将上部自由层182成膜。这样形成含有下部自由层181、SF层21和上部自由层182的自由层18。并且如上所述，当变换处理的影响波及至下部自由层181时，在SF层21与下部自由层181之间变得没有明确的区分。此时，与在间隔层16与自由层18(此时仅上部自由层182)的界面形成SF层21这种情况是等价的。
对于形成包含氮化物的SF层的情况，在将SF层的完成膜厚记作T纳米时，将金属层的成膜和变换处理作为1个模式时的模式的重复次数N通过下式记述。
N≥(T/0.5)×x(1)
(这里，x为1～2的常数，T≥1)。
在使根据包含氮化物的SF层的完成膜厚而分割且成膜的金属层的分割数变化的过程中，适用上述(1)式来规定重复次数N，实施一系列的制备工序。由于氮化物的生成能量大，所以在将变换为SF层的金属层成膜为超过1nm的厚度并进行渗氮处理时，在表面仅形成薄的渗氮层，不能发挥作为SF层所期望的效果，且提高MR变化率的效果小。因此，优选1次成膜的金属层的膜厚为小于等于1nm。
特别地，当如图2(a)和(b)所示在上部销固层143中设置SF层22时，优选不使销固层的钉扎(ピンニング)特性(Hua)降低。此时，当在选自Ni、Fe、Co和它们的合金的强磁性金属层中实施变换处理而形成SF层时，Hua难以降低，从这一点考虑来说是优选的。另外，优选使夹住SF层22的2层强磁性层进行强磁性耦合。
另外，对于在自由层中设置SF层的情况，当在强磁性金属层中实施变换处理而形成SF层时，强磁性体中的磁矩之间的交换耦合发挥作用，自由层整体进行强磁性耦合，引起磁化的一同旋转。因此，可以控制性好地实现作为自由层的必要条件之一的低保磁力(Hc)。
包含氮化物的SF层21的完成膜厚优选为0.2nm～10nm左右，更优选0.3nm～5nm左右。并且，即使对于氮化物这样的作为绝缘层已知的材料，当增大膜厚时面阻抗增大，因此在制作低阻抗磁头用的磁阻效应元件方面，具有接近于10nm这样厚度的SF层21是不实用的。
为了形成更均匀的SF层，出于协助原子的移动能量的目的，也可以将氩、氙、氦、氖、氪等的气体进行离子化或者等离子体化，在这种离子化氛围或者等离子体氛围中供给氮气等而产生的离子或等离子体照射在金属层表面而进行变换处理。
在SF层形成时，也可以考虑不进行上述那样的由离子协助导致的渗氮，而是单单在氮气氛围下使金属层暴露，进行所谓的自然渗氮，但为了形成均匀的SF层，优选按照(1)式将分割的薄的膜厚的金属层进行成膜。
含有SF层的磁阻效应元件的面阻抗RA小于等于0.5Ω·μm²，具体来说优选为0.05Ω·μm²～0.3Ω·μm²。
以下，对于形成SF层时的电子束条件进行说明。在利用渗氮处理形成SF层时如上述那样将稀有气体进行离子化或者等离子体化的情况，优选将加速电压V设定为+30V～130V，将电子束电流Ib设定为20～200mA。这些条件与进行离子束蚀刻时的条件相比是显著弱的条件。即使使用RF等离子体等的等离子体来代替离子束，也同样可以形成SF层。对于离子束的入射角度，将相对于膜面垂直入射的情况定义为0度，将与膜面平行入射的情况定义为90度，该入射角度在0～80度的范围下适当改变。该工序中的处理时间优选为15秒～180秒，从控制性等的观点考虑，更优选大于等于30秒。当处理时间过于长时，由于CPP元件的生产性差，因而不是优选的。从这些观点的角度，处理时间最优选为30秒～180秒。
对于使用了离子或者等离子体的渗氮处理的情况，氮暴露量优选为1000～10000000L(1L＝1×10^-6Torr×sec)。
通过在图4的各工序中使用上述的适当条件，可以实现具有良好特性的SF层。
在图4(a)和(c)中，进行分割并叠层的第1和第2金属层211、212可以是相同的材料，或者也可以是不同的材料。一般来说，多使用同一的材料，但不需要一定是一致的材料。
图5表示为了制备实施方式的磁阻效应元件而使用的装置的概略构成。如图5所示，以运送室(TC)50为中心，分别通过真空阀设置加载互锁真空室51、预净化室52、第1金属成膜室(MC1)53、第2金属成膜室(MC2)54、变换处理室60。对于该装置，在通过真空阀连接的各室之间可以在真空中运送基板，因此基板的表面可以保持洁净。
金属成膜室53、54具有多元(5～10元)的靶标(タ—ゲツト)。成膜方式可以列举DC磁控溅射、RF磁控溅射等的溅射法、离子束溅射法、蒸镀法、CVD(Chemical VaporDeposition)法和MBE(Molecular Beam Epitaxy)法等。在变换处理中可以利用具有离子束机构、RF等离子体机构或者加热机构的腔室，且需要与金属成膜室分开。
真空室的典型真空度为10^-9Torr左右(日文：台)，即使是10^-8Torr的前半部分的值也可以允许。更具体地，金属成膜室的到达真空度优选小于等于1×10^-8Torr，一般为5×10^-10Torr～5×10^-9Torr左右。运送室50的到达真空度为10^-9Torr级别。变换处理室60的到达真空度小于等于8×10^-8Torr。
变换为SF层的金属层的成膜可以在金属成膜室53、54的任一者中进行。变换处理可以在变换处理室60中进行。在金属层成膜后，基板通过运送室50输送至变换处理室60中而进行变换处理。之后，输送至金属成膜室53、54的任一者中，第2金属层被成膜，然后基板再次通过运送室50输送至氧化处理室60中，进行变换处理。
图6表示图5的变换处理室60的一例构成。该变换处理室60使用了离子束。如图所示，变换处理室60利用真空泵61抽成真空，由质量流控制器(MFC)63进行流量控制的反应气体从供给管62引入变换处理室60。在变换处理室60内设置离子源70。离子源的形式可以列举ICP(Inductive coupled plasma)型、Capacitive coupled plasma型、ECR(Electron-cyclotron resonance)型、考夫曼型等。以与离子源70对向的方式配置基板支架80，并在其上设置基板1。
在来自离子源70的离子释放口处设置调节离子加速度的3片栅极71、72、73。在离子源70的外侧设置中和离子的中和器74。基板支架80以可倾斜的方式被支撑。离子对于基板1的入射角度能够以宽的范围改变，典型的入射角度的值为15°～60°。
在该变换处理室60中，通过将Ar等的离子束照射在基板1上，可以进行对于使用了离子的变换处理的能量协助，一边从供给管62供给反应气体，一边通过将Ar等的离子束照射在基板1上而变换金属层来形成SF层。
变换处理室也可以使用RF等离子体室等。无论怎样，为了在变换处理中给予能量，都在可产生离子或者等离子体的腔室中进行变换处理。
另外，作为用于给予能量的手段，也可以进行加热处理。此时，可以列举在例如100℃～300℃的温度下进行数十秒至数分钟左右的加热处理。
其次，对于图1(a)和(b)所示的磁阻效应元件的制备方法从整体上进行说明。
(1)基底层12的形成
在基板(没有图示)上，利用微细加工工序预先形成下电极11。在下电极11上，将例如Ta[5nm]/Ru[2nm]成膜来作为基底层12。Ta是为了缓和电极的粗糙而使用的缓冲层。Ru是控制在其上成膜的自旋阀膜的结晶取向和结晶粒径的晶种层。
(2)钉扎层13的形成
在基底层12上将钉扎层13成膜。钉扎层13的材料可以使用PtMn、PdPtMn、IrMn、RuRhMn等的反强磁性材料。
(3)销固层14的形成
在钉扎层13上形成销固层14。销固层14例如可以使用包含下部销固层141(Co₉₀Fe₁₀)、磁耦合层142(Ru)和上部销固层143(Co₉₀Fe₁₀)的合成销固层。
(4)间隔层的形成
接着形成间隔层。间隔层可以是图1(a)这样的具有CCP结构的层，也可以是图1(b)这样的金属层。
具有CCP结构的间隔层例如可以用日本专利特开2006-54257号公报中公开的方法来形成。包含金属层的间隔层可以通过在金属成膜室中将Cu、Au、Ag、Cr、Mn等成膜来形成。
(5)自由层的形成
其次，参考图4按照说明的方法来形成含有SF层21的自由层18。
(6)盖层19和上电极20的形成
在自由层18上叠层作为盖层19的例如Cu[1nm]/Ru[10nm]。在盖层19上形成用于向自旋阀膜垂直通电的上电极20。
实施例
(实施例1)
在本实施例中，制备图1(b)所示的磁阻效应元件。表示实施例1的磁阻效应元件的构成。
下电极11
基底层12：Ta[1nm]/Ru[2nm]
钉扎层13：Ir₂₂Mn₇₈[7nm]
销固层14：Co₉₀Fe₁₀[4nm]/Ru[0.85nm]/Co₉₀Fe₁₀[4nm]
间隔层(全金属)16：Cu[3nm]
下部自由层181：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
SF层21：用图4的方法制备的(Fe₈₀Co₂₀[0.4nm]的渗氮层)×5层
上部自由层182：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
盖层19
上电极20。
这里，对于叠层至间隔层16、然后形成含有SF层的自由层的方法进行说明。当如本实施例这样形成含有SF层的自由层时，首先将通常自由层一半膜厚的磁性层叠层，并在其上形成SF层21。在本实施例中将作为下部自由层181的、2nm的Co₉₀Fe₁₀成膜。
其次，在图4(a)的工序中，将作为变换为SF层的第1金属层211的、厚度为0.4nm的Fe₈₀Co₂₀成膜。在图4(b)的工序中，如以下那样进行变换处理。首先，在将Ar离子束照射在金属层表面上的状态下，使氮气流入变换处理室。Ar离子束的加速条件为60V。这样形成第1层的极薄的渗氮层211′。停止氮气的流动，将基板移向金属成膜室。在图4(c)的工序中，将作为转换为SF层的第2金属层212的、厚度为0.4nm的Fe₈₀Co₂₀的再次成膜。在图4(d)的工序中，进行第2金属层212的变换处理。该变换处理条件与图4(b)中的渗氮条件相同。这样形成第2层的极薄的渗氮层212′。通过将这种金属层的成膜和渗氮处理合计重复5次，最终形成包含膜厚为2nm的Fe₈₀Co₂₀的渗氮层的SF层21。
SF层21的形成结束后，将基板移向金属成膜室，进行上部自由层、盖层的成膜。制备的CPP元件通过将全部层成膜后进行的热处理而形成最终的层构成，因此在成膜中的阶段中有时并没有形成最终的层构成。实际上在成膜至盖层后进行热处理也表现能量协助效果。该热处理在280℃下进行4小时。
(实施例2)
除了使用以图4的方法制备的(Co₆₄Fe₁₆B₂₀[0.4nm]的渗氮层)×5层来作为SF层21以外，其它与实施例1同样来制备磁阻效应元件。
(实施例3)
除了使用以图4的方法制备的(Fe₅₀Co₅₀[0.4nm]的渗氮层)×5层来作为SF层21以外，其它与实施例1同样来制备磁阻效应元件。
(实施例4)
除了使用以图4的方法制备的(Ni₉₅Fe₅[0.4nm]的渗氮层)×5层来作为SF层21以外，其它与实施例1同样来制备磁阻效应元件。
(比较例1)
作为比较例1，制备自由层18含有膜厚为4nm的Co₉₀Fe₁₀，不包含SF层的磁阻效应元件。表示比较例1的磁阻效应元件的构成。
下电极11
基底层12：Ta[1nm]/Ru[2nm]
钉扎层13：Ir₂₂Mn₇₈[7nm]
销固层14：Co₉₀Fe₁₀[4nm]/Ru[0.85nm]/Co₉₀Fe₁₀[4nm]
间隔层(全金属)16：Cu[3nm]
自由层18：Co₉₀Fe₁₀[4nm]
盖层19
上电极20。
(比较例2)
在比较例2中，除了使用1nm的Fe₈₀Co₂₀的氧化层来作为SF层21以外，其它与实施例1同样来制备磁阻效应元件。
对如上述那样制备的实施例1～4和比较例1、2的磁阻效应元件的特性进行评价。对于各元件，使电流从销固层14流向自由层18的方向(使电子从自由层18流向销固层14的方向)，并测定面阻抗和MR变化率。这里，当使电流从自由层18流向销固层14的方向(使电子从销固层14流向自由层18的方向)时，由自旋转移转矩效应导致的噪音变大。因此，为了降低自旋转移噪音，优选如上述那样使电流从销固层14流向自由层18的方向。
图7表示实施例1～4和比较例1、2的磁阻效应元件的面阻抗(RA)和MR变化率。在比较例1的元件中，RA＝约0.08Ωμm²，MR变化率＝约0.8％。在实施例1的元件中，RA＝0.1Ωμm²，MR变化率＝1.1％。另外，即使是实施例2～4的元件，与比较例1的元件相比，面阻抗(RA)和MR变化率也得到改善。即，即使以难以形成氮化物的磁性元素为母材料的情况，通过研究形成方法，也能够在全部实施例中确认MR变化率的增大。另外，其中表现MR变化率增大最多的实施例是以Fe含量最大的Fe₈₀Co₂₀为母材的例子。即，可知越是含有Fe含量高的金属材料和氮的层，其MR变化率的增大效果越大。可知含有Fe含量大于等于5原子％的金属材料和氮作为组成的层是有效的。
另外，在比较例2的元件中，RA＝0.14Ωμm²，MR变化率＝0.8％，仅产生面阻抗RA的增大，不能确认MR变化率增大。即，对于不是在氮氛围下暴露、而是暴露在氧氛围下的样品，仅能观察到RA的增大，没有产生MR变化率的增大。即使是Fe含量大的材料，对于不是氮化物而是氧化物的情况，也仅能观察到面阻抗RA的增大，难以得到MR变化率的增大。产生面阻抗的增大，这在作为磁头应用时不是优选的。由于期望面阻抗RA低，因此与氧化物相比，优选氮化物。
将以上的MR变化率的结果对于暴露在氮或者氧中之前的金属母材的Fe组成画曲线，并示于图8。由图8可知，对于暴露在氮氛围下的样品，只要在氮氛围下暴露之前的金属母材的Fe含量大于等于5原子％，就可以确认MR变化率的增大。另一方面，即使Fe含量大于等于5原子％，对于暴露在氧氛围下的样品的情况，也不能完全认为MR变化率增大。即，对于Fe含量大于等于5原子％且暴露在氮氛围下的样品，可以不招致面阻抗RA的增大，而产生MR变化率的增大。
并且，对于实施例1的元件，观测截面透射型电子显微镜(截面TEM)像，结果可知，间隔层16的结晶取向面与下部自由层181的结晶取向面以这两者的界面为边界而相互不同。另外可知，相当于下部自由层的部分与相当于包含(Fe₈₀Co₂₀[0.4nm]的渗氮层)×5的SF层的部分具有相同的结晶取向面。进而，这些部分的结晶取向面与相当于其上的上部自由层的部分的结晶取向面不同。
将截面TEM像进行高速傅立叶变换(FFT)，得到结晶取向面的逆点阵位点。将间隔层16的逆点阵位点与SF层21(和下部自由层181)的逆点阵位点以[001]方位的位点为中心进行重叠。在间隔层16和SF层21中，从中心的位点到逆点阵位点的间隔几乎相等，认为是等价的结晶取向面之间倾斜约60度。
相对于此，在实施例2～4和比较例1中，不认为存在如实施例1这样的、在2个层的结晶取向面之间产生倾斜这样的界面。
以上的结果可以如下述那样来说明。在将金属层的叠层和渗氮处理重复进行5次而形成SF层时，每1层的金属层的膜厚十分薄(此时为0.4nm)。当对于薄的金属层进行使用了离子或等离子体的渗氮处理时，可以向金属层的构成原子供给充分的能量。因此，金属层能够在整个膜厚的范围下切实地变换为渗氮膜，并表现良好的自旋滤波功能。进而，当使用Fe含量多的金属层并进行渗氮处理时，在SF层(和下部自由层)与基底的间隔层之间结晶取向面产生倾斜，附加了进一步的效果，进而表现良好的自旋滤波功能。因此，如图7所示，实施例1与实施例2～4相比，面阻抗(RA)和MR变化率进而变高。
(实施例5)
使用以下材料，制备图2(b)所示的磁阻效应元件。
下电极11
基底层12：Ta[1nm]/Ru[2nm]
钉扎层13：Ir₂₂Mn₇₈[7nm]
下部销固层141：Co₉₀Fe₁₀[4nm]
反强磁性耦合层142：Ru[0.85nm]
第1上部销固层144：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
SF层21：实施例1～4的任一者的渗氮层
第2上部销固层145：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
间隔层(全金属)16：Cu[3nm]
自由层18：Co₉₀Fe₁₀[4nm]
盖层19：Cu[1nm]/Ru[10nm]
上电极20。
(实施例6)
使用以下材料，制备图2(a)所示的磁阻效应元件。
下电极11
基底层12：Ta[1nm]/Ru[2nm]
钉扎层13：Ir₂₂Mn₇₈[7nm]
下部销固层141：Co₉₀Fe₁₀[4nm]
反强磁性耦合层142：Ru[0.85nm]
第1上部销固层144：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
SF层21：实施例1～4的任一者的渗氮层
第2上部销固层145：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
间隔层(CCP-NOL)16：Al₂O₃绝缘层161和Cu电流通路162
自由层18：Co₉₀Fe₁₀[4nm]
盖层19：Cu[1nm]/Ru[10nm]
上电极20。
(实施例7)
使用以下材料，制备图1(a)所示的磁阻效应元件。
下电极11
基底层12：Ta[1nm]/Ru[2nm]
钉扎层13：Ir₂₂Mn₇₈[7nm]
销固层14：Co₉₀Fe₁₀[4nm]/Ru[0.85nm]/Co₉₀Fe₁₀[4nm]
间隔层(CCP-NOL)16：Al₂O₃绝缘层161和Cu电流通路162
下部自由层181：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
SF层21：实施例1～4的任一者的渗氮层
上部自由层182：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
盖层19：Cu[1nm]/Ru[10nm]
上电极20。
(实施例8)
使用以下材料，制备图3(b)所示的磁阻效应元件。
下电极11
基底层12：Ta[1nm]/Ru[2nm]
钉扎层13：Ir₂₂Mn₇₈[7nm]
下部销固层141：Co₉₀Fe₁₀[4nm]
反强磁性耦合层142：Ru[0.85nm]
第1上部销固层144：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
SF层22：实施例1～4的任一者的渗氮层
第2上部销固层145：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
间隔层(全金属)16：Cu[3nm]
下部自由层181：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
SF层21：实施例1～4的任一者的渗氮层
上部自由层182：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
盖层19：Cu[1nm]/Ru[10nm]
上电极20。
(实施例9)
使用以下材料，制备图3(a)所示的磁阻效应元件。
下电极11
基底层12：Ta[1nm]/Ru[2nm]
钉扎层13：Ir₂₂Mn₇₈[7nm]
下部销固层141：Co₉₀Fe₁₀[4nm]
反强磁性耦合层142：Ru[0.85nm]
第1上部销固层144：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
SF层22：实施例1～4的任一者的渗氮层
第2上部销固层145：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
间隔层(CCP-NOL)16：Al₂O₃绝缘层161和Cu电流通路162
下部自由层181：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
SF层21：实施例1～4的任一者的渗氮层
上部自由层182：Co₉₀Fe₁₀[2nm]
盖层19：Cu[1nm]/Ru[10nm]
上电极20。
即使在这些实施例5～9的磁阻效应元件，也可以得到与实施例1～4的磁阻效应元件同样的效果。
(磁阻效应元件的应用)
以下，对于实施方式的磁阻效应元件的应用进行说明。
CPP元件的元件阻抗RA从对应高密度的角度考虑，优选小于等于0.5mΩ·μm²，更优选小于等于0.3Ω.μm²。在计算元件阻抗RA时，将自旋阀膜的通电部分的有效面积A乘以CPP元件的阻抗R。这里，元件阻抗R可以直接测定。另一方面，自旋阀膜的通电部分的有效面积A是依赖于元件结构的值，因此决定该值时需要注意。
例如，当将自旋阀膜的整体作为有效地进行传感检测的区域并印刻图形时，自旋阀膜整体的面积形成有效面积A。此时，从适当设定元件阻抗的角度考虑，自旋阀膜的面积至少小于等于0.04μm²，在大于等于300Gbpsi的记录密度下小于等于0.02μm²。
但是，在形成与自旋阀膜相接且比自旋阀膜面积小的下电极11或者上电极20时，下电极11或者上电极20的面积形成自旋阀膜的有效面积A。当下电极11或者上电极20的面积不同时，小的电极的面积形成自旋阀膜的有效面积A。此时，从适当设定元件阻抗的角度考虑，小的电极的面积至少小于等于0.04μm²。
自旋阀膜的面积最小处是与上电极20接触的部分，因此认为其宽度是磁轨(トラック)宽度Tw。另外，关于高度方向，仍然是与上电极20接触的部分最小，因此认为其宽度为高度长度D。自旋阀膜的有效面积A是A＝Tw×D。
在实施方式的磁阻效应元件中，可以使电极间的阻抗R小于等于100Ω。该阻抗R是例如在磁头万向接头组件(HGA)的前端装配的再生磁头部的2个电极垫片间测定的阻抗值。
当在实施方式的磁阻效应元件中销固层14或者自由层18为fcc结构时，优选具有fcc(111)取向性。当销固层14或者自由层18为bcc结构时，优选具有bcc(110)取向性。当销固层14或者自由层18为hcp结构时，优选具有hcp(001)取向性或者hcp(110)取向性。
本发明实施方式的磁阻效应元件的结晶取向性以分散角表示优选5.0度以内，更优选3.5度以内，进而优选3.0度以内。这可以作为在由X射线衍射的θ-2θ测定得到的峰位置的摇摆曲线的半值宽度来求得。另外，可以作为元件截面的纳米衍射斑的位点分散角度来测得。
虽然也依赖于反强磁性膜的材料，但一般来说在反强磁性膜和销固层14/间隔层16/自由层18中点阵间隔不同，因此可以分别算出在各自层中取向的分散角。例如在铂锰(PtMn)和销固层14/间隔层16/自由层18中，多为点阵间隔不同的情况。由于铂锰(PtMn)是比较厚的膜，所以对于测定结晶取向的偏差是合适的材料。对于销固层14/间隔层16/自由层18，在销固层14和自由层18中也有结晶结构为bcc结构和fcc结构这样的不同的情况。此时，销固层14和自由层18分别具有不同的分散角。
(磁头)
图9表示将实施方式的磁阻效应元件组装在磁头中的状态。图9是沿相对于与磁记录介质(没有图示)对向的介质对向面几乎平行的方向，将磁阻效应元件切割而成的截面图。图10是将该磁阻效应元件沿相对于介质对向面ABS垂直的方向切割而成的截面图。
图9所示的磁头具有所谓的硬毗邻(hard abutted)结构。在磁阻效应膜SV的上下分别设置下电极11和上电极20。在附图中，在磁阻效应膜的两侧面叠层设置偏压磁场外加膜41和绝缘膜42。如图10所示，在磁阻效应膜的介质对向面设置有保护层43。
对于磁阻效应膜的读出电流，如通过在其上下配置的下电极11、上电极20以箭头标记A所示的那样，沿相对于膜面大致垂直的方向通电。另外，通过在左右设置的一对偏压磁场外加膜41、41，在磁阻效应膜上外加偏压磁场。利用该偏压磁场，控制磁阻效应膜的自由层18的磁各向异性并单磁畴化，由此该磁畴结构稳定化，能够抑制伴随磁壁的移动所产生的巴克好森噪音(Barkhausen noise)。由于磁阻效应膜的S/N比例提高，所以在应用于磁头时，可以进行高灵敏度的磁性再生。
(硬盘和磁头万向接头组件)
图10所示的磁头可以组装在记录再生一体型的磁头组件中，并搭载在磁记录装置上。图11是列举这种磁记录装置的概略构成的重要部分立体图。本实施方式的磁记录装置150是使用旋转传动器形式的装置。在同一附图中，磁盘200装配在主轴152上，其通过对来自没有图示的驱动装置控制部的控制信号进行响应的没有图示的电动机，而沿箭头标记A的方向旋转。本实施方式的磁记录装置150也可以具有多个磁盘200。
进行收纳在磁盘200中的信息的记录再生的磁头滑块153安装在薄膜状的悬架装置154的前端。磁头滑块153将含有上述任一种实施方式的磁阻效应元件的磁头搭载在其前端附近。
当磁盘200旋转时，磁头滑块153的介质对向面(ABS)以离磁盘200的表面具有规定的上浮量的方式保持。或者也可以是滑块与磁盘200接触这样的所谓“接触移动型”。
悬架装置154连接在驱动器臂155的一端。在驱动器臂155的另一端设置作为直线电动机的一种的音圈电动机156。音圈电动机156由卷绕在绕线管部位的没有图示的驱动线圈、和磁电路来构成，所述磁电路包含以夹住该线圈的方式对向配置的永久磁石和对向磁轭。
驱动器臂155通过设置在主轴157的上下2处的没有图示的球轴承来保持，利用音圈电动机156可以自由地进行旋转滑动。
图12是从磁盘一侧观察从驱动器臂155到前面的磁头万向接头组件的放大立体图。即，组件160具有驱动器臂155，在驱动器臂155的一端连接悬臂装置154。在悬臂装置154的前端安装具有磁头的磁头滑块153，所述磁头含有上述任一种实施方式的磁阻效应元件。悬臂装置154具有信号的写入和读取用的导线164，该导线164与组装在磁头滑块153中的磁头的各电极进行电连接。图中165是组件160的电极垫片。
根据本实施方式，通过具有含有上述磁阻效应元件的磁头，能够切实地读取以高的记录密度、以磁的方式记录在磁盘200上的信息。
(磁存储器)
对于搭载了实施方式的磁阻效应元件的磁存储器进行说明。使用实施方式的磁阻效应元件，可以实现例如存储单元以矩阵状配置的随机存取磁存储器(MRAM：magnetic randomaccess memory)等的磁存储器。
图13是表示一例实施方式的磁存储器矩阵构成的图。该图表示在将存储单元配置成阵列状时的电路构成。为了选择阵列中的1位而具有列译码器350、行译码器351，利用位线334和字线332可以专一地选择开关晶体管330，用读出放大器352检测，由此可以读出在磁阻效应膜中的磁记录层(自由层)中记录的位信息。在写入位信息时，施加在特定的写入字线323和位线322中流过写入电流而产生的磁场。
图14是表示实施方式的磁存储器矩阵构成的其他例子的图。该情况下，分别通过译码器360、361选择以矩阵状进行配线的位线322和字线334，选择阵列中的特定的存储单元。各自的存储单元具有磁阻效应膜SV与二极管D串行连接的结构。这里，二极管D具有在除选择的磁阻效应膜SV以外的存储单元中防止读出电流迂回的作用。写入利用在特定的位线322和写入字线323中分别流过写入电流而产生的磁场来进行。
图15是表示本发明实施方式的磁存储器的重要部位的截面图。图16是沿图15的A-A′线的截面图。这些图所示的结构对应于图13或者图14所示的磁存储器中含有的1位的存储单元。该存储单元具有记忆元件部分311和地址选择用晶体管部分312。
记忆元件部分311具有磁阻效应膜SV和与其连接的一对配线322、324。
另一方面，在地址选择用晶体管部分312中设置了通过过孔326及埋入配线328而连接的晶体管330。该晶体管330根据外加在控制极332上的电压而进行开关操作，并控制磁阻效应膜SV与配线334的电流通路的开关。
另外，在磁阻效应膜SV的下方，写入配线323沿与配线322几乎正交的方向设置。这些写入配线322、323可以利用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钽(Ta)或者含有它们中的任一者的合金来形成。
当在具有这种构成的存储单元中，将位信息写入磁阻效应膜SV时，在配线322、323中流过写入脉冲电流，并施加由这些电流感应的合成磁场，由此使磁阻效应膜的记录层的磁化适当反转。
另外，在读出位信息时，使读出电流通过配线322、含有磁记录层的磁阻效应膜SV和下电极324而流动，测定磁阻效应膜SV的阻抗值或者阻抗值的变化。
实施方式的磁存储器通过使用上述实施方式的磁阻效应元件，即使将单元尺寸微细化，也可以切实地控制记录层的磁畴并确保切实的写入，并且也能够切实地进行读出。
(其他实施方式)
本发明不限于上述的实施方式，可以进行扩张、改变，扩张、改变的实施方式也包含在本发明的技术范围内。关于磁阻效应膜的具体结构或其他的电极、偏压外加膜、绝缘膜等的形状或材质，本行业者通过由公知的范围适当选择，可以同样实施本发明，并得到同样的效果。例如在将磁阻效应元件适用于再生用磁头时，通过在元件的上下赋予磁性屏蔽，可以规定磁头的检测分辨能力。
另外，本发明的实施方式不仅可以用于纵向磁记录方式，对于垂直磁记录方式的磁头或者磁再生装置也是适用的。进而，本发明的磁记录装置可以是固定地具有特定记录介质这样的所谓固定式的装置，另一方面，也可以是记录介质可以更换的所谓“可拆式”方式的装置。
除此以外，以本发明的实施方式为基础，本行业者进行适当的设计改变而能够实施的所有磁阻效应元件、磁头、磁记录装置和磁存储器也同样属于本发明的范围。例如本发明实施方式的磁阻效应元件能够用于对应于高记录密度的全部HDD，也可以适用于在民生用途中使用的个人电脑、携带型音乐·视频播放器、汽车导航系统、摄像机等的记录装置。