mile米乐官方网站 开发最适合磁头的高性能TMR元件

　独立行政机构独立行政法人国立先进产业技术研究所【会长：吉川博之】（以下简称“AIST”）电子研究部【所长：和田俊美】和 ANELVA Corporation【总裁兼首席执行官今村丰】（以下简称“ANELVA”）正在共同开发超高密度硬盘读取磁头这被认为是有希望的隧道磁阻（TMR (隧道磁阻)）我们成功地显着提高了设备的性能并开发了大规模生产的技术。

去年 AIST 和 Anelva 成功开发的隧道护栏氧化镁 (MgO)低电阻TMR元件该器件是低电阻TMR元件，电阻约为每平方微米2Ω（欧姆），并且在室温下还实现了140%的巨大磁阻比。这是为磁头应用而开发的、使用氧化铝作为隧道势垒的TMR元件（以下称为“传统TMR元件”）性能的七倍。

　新开发的高性能TMR元件可以使用磁头生产现场标准使用的现有溅射设备来实现，无需进行改造，对制造设备的负担很小。这导致每平方英寸记录密度是 200千兆位这一成果有望成为一项能够显着提高硬盘性能的技术，而硬盘对信息家电和其他设备的需求正在不断增加。

　详情将在2005年4月4日至8日于名古屋举行的国际会议“INTERMAG 2005”的特邀演讲中发表（演讲日期：4月7日，演讲编号：FB-05）。

　1988年磁性金属多层膜巨磁阻（GMR）效应发现了这种现象，利用这种现象的硬盘读取磁头（GMR 磁头）在 20 世纪 90 年代末实现了商业化（见图 1）。 GMR磁头比以前的磁头（MR磁头）具有更高的输出性能（磁阻比），从而可以大幅提高硬盘的记录密度（一度每年翻倍）并降低价格。迄今为止，每平方英寸100吉比特的高记录密度硬盘已经实现（见图2）。目前，硬盘的使用已不仅限于个人电脑和服务器，还扩展到录像机、汽车导航系统、数码相机和移动电话等。

但放眼未来硬盘的发展，目前的GMR磁头的磁阻比只有15%左右，难以支持更高密度的记录。为了保持未来记录密度每年30％至40％的增长率，必须开发具有更高性能的下一代磁头。下一代磁头的候选磁头有两种类型：(1)利用TMR效应的TMR磁头(见图3)，以及(2)电流沿垂直于GMR元件膜厚的方向流动的CPP-GMR磁头，目前正在积极研究和开发。特别是，TMR磁头自2004年底以来已被安装在实际硬盘中，在这方面，它们在成为下一代磁头的竞争中领先一步。

下一代磁头需要两个重要条件：（i）增加磁阻比以检测记录位中的微弱漏磁场，以及（ii）降低元件电阻以提高数据传输速度。需要开发同时满足这两个条件的技术[见图4]。关于(i)，在室温下期望磁阻比至少为20％或更大，理想地为100％或更大。关于(ii)，其应该在每平方微米01Ω至4Ω的范围内。目前，CPP-GMR磁头的磁阻率小于10%，元件电阻为每平方微米约01至05Ω或更小，并且很难期望未来磁阻率急剧增加。另一方面，使用氧化铝等作为隧道势垒的传统TMR元件是MRAM开发的高电阻TMR元件虽然磁阻比为70％，但满足条件(ii)的低电阻TMR元件存在磁阻比下降至20％左右的问题。因此，强烈需要开发满足条件(ii)并且磁阻比为100％以上的低电阻TMR元件。

　去年，AIST和ANELVA共同开发了一种使用氧化镁（MgO）作为隧道势垒的新型TMR元件，并在室温下实现了230%*的巨大磁阻比。此时TMR元件的电阻值约为每平方微米500Ω，这对于MRAM的应用来说是最佳的，但对于磁头的应用来说太高了。

*2004 年 9 月 7 日公布（新闻稿）
　　・开发出世界最高性能TMR（隧道磁阻）元件的量产技术
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　使用溅射薄膜沉积方法实现了千兆位 MRAM 所需的 230% 磁阻比-

图1(A)：硬盘结构

图1(B)：磁头结构

图2：硬盘记录密度的历史

磁阻比 = (RA－ RP) ÷ RP

图3：TMR元件的隧道磁阻（TMR）效应

图4：下一代磁头所需的特性

(1)利用低电阻TMR元件实现140%的巨大磁阻比

标准用于磁头制造现场溅射设备（ANELVA制造的C-7100[见图5]），在8英寸直径的硅基板（热氧化硅基）上通过溅射制造了一种新型TMR元件。为了将TMR元件的电阻降低到每平方微米4Ω以下，MgO隧道势垒的厚度必须降低到1纳米以下（1纳米：十亿分之一米）。去年，当我们为MRAM创建新型TMR元件时，我们通过在底部电极上直接堆叠MgO层来创建TMR元件[见图6(A)]。然而，当使用这种方法制造低电阻TMR元件时，在隧道势垒较薄的区域，磁阻比迅速下降，并且发现电阻小于4Ω/平方微米的低电阻TMR元件无法获得足够的磁阻比[见图7]。造成这个问题的可能原因是当MgO隧道势垒层变薄时，下电极的表面被氧化，使得电子更容易散射。为了解决这个问题，我们使用两步沉积法沉积了氧化镁隧道势垒层。即，首先在下电极上层叠一薄层镁金属，然后层叠一层MgO[参见图2]。 6(B)]。结果，即使在隧道势垒较薄的区域，磁阻比的降低也得到抑制，并且利用每平方微米约2Ω的低电阻TMR元件实现了室温下140%的巨大磁阻比[见图7和图8]。这相当于使用氧化铝等材料的传统低电阻TMR元件的输出性能的7倍，足以用作超高密度硬盘的磁头。如图。图9是表示所制作的TMR元件的截面的电子显微镜照片。

 

(2) 下一代超高密度硬盘磁头的最佳候选者

　TMR磁头和CPP-GMR磁头成为下一代磁头的开发竞争直到去年上半年都处于完全混乱的状态。尽管使用传统TMR元件的TMR磁头在去年下半年先于CPP-GMR磁头推向市场，但仍然存在一种根深蒂固的观点，即理论上很难降低TMR元件的电阻。然而，新型TMR元件同时实现低电阻和高磁阻比的这一成就，更加确定了硬盘每英寸200吉比特或更高的高记录密度的实现。人们认为下一代磁头的未来发展将集中于使用氧化镁的新型TMR元件。

 

　AIST 和 ANELVA 正在进行共同研究，本研究结果是作为该研究的一部分而获得的。这次，ANELVA 制作了薄膜，AIST 进行了器件加工和评估。
 

图5：用于磁头生产的溅射设备

(A)传统的成膜方法

(B)两步成膜法

图6：(A)传统沉积方法和(B)两步沉积方法

图7：传统薄膜沉积方法与两步沉积方法的器件性能比较

图 8：新 TMR 元件的特性 元件电阻：24 Ω/平方微米 磁阻比：140%（室温）

图9：显示所制造的TMR元件横截面的电子显微照片

我们计划通过我们的联合研究系统继续研究以下问题。

• 探索新开发的新型TMR元件的进一步更低电阻和更高磁阻比
• 磁头所需的其他特性评估（磁场灵敏度、耐用性等）

◆读取（硬盘）磁头【见图1】

用于读取磁记录在硬盘记录介质上的信息的磁传感器称为磁头。磁头检测从作为“磁畴”记录在记录介质上的数字信息图案产生的微小磁场，将其转换成电信号，并读取信息。 GMR磁头和TMR磁头等高性能磁头已被开发出来，可以将微小磁场转换成高灵敏度的电信号。读取磁头的性能越高，可以检测到越微小的磁场信号，从而可以提高硬盘的记录密度。[返回来源]

◆隧道磁阻（TMR）元件、隧道势垒、磁阻比、TMR效应、TMR磁头【见图3】

隧道磁阻元件（TMR元件）是一种厚度为几纳米或更小的非常薄的绝缘体（称为隧道势垒，传统上使用氧化铝）夹在两个铁磁金属电极之间的元件。 TMR元件的电阻根据两个铁磁电极的相对磁化方向是平行还是反平行而变化。这种现象称为隧道磁阻效应（TMR效应）。此外，此时电阻变化的速率，以百分比表示，称为磁阻比。 TMR元件用于MRAM存储元件，也可应用于硬盘读磁头（TMR磁头）。[返回参考源]

◆氧化镁、氧化铝

氧化铝用于传统TMR元件的隧道势垒。一般情况下，氧化铝在低温下很难结晶，成为原子排列不规则的非晶态材料。因此，当电子流过氧化铝时，它们会被散射，从而难以直线传播。另一方面，新型TMR器件的隧道势垒材料氧化镁具有原子规则排列的晶体特性。因此，由于电子可以直线行进而不会被散射，因此可以获得更大的隧道磁阻效应。[返回源]

◆低阻TMR元件，元件电阻【见图3】

TMR元件和CPP-GMR元件的电阻值（并联磁化状态下的R值）_P)称为元件电阻。通常表示为每1平方微米元件面积的电阻值(Ω(μm)²）。对于TMR器件，通过改变隧道势垒的厚度，可以将器件电阻从每平方微米几欧姆改变到几兆欧姆甚至千兆欧姆。对于磁头应用，需要元件电阻在每平方微米 01 Ω 至 4 Ω 范围内的低电阻 TMR 元件。另一方面，对于 MRAM 应用，每平方微米约 500 Ω 至 10 kΩ 的相对较高的元件电阻是最佳的。[返回来源]

◆（硬盘）记录密度[见图1和图2]

硬盘在磁盘上二维记录“0”和“1”的数字信息。记录密度表示为每平方英寸面积的记录位数（bit/in²）。当今最先进的硬盘的记录密度约为每平方英寸 100 吉比特。[返回来源]

◆千兆位(Gbit)

“位”是最小的信息单位，是二进制的一位数字（即“0”或“1”）。 “G”（千兆）是 10⁹，即10亿。[返回来源]

◆巨磁阻效应（GMR效应）、GMR磁头、CPP-GMR磁头

当电流通过磁性金属多层膜（其中两个铁磁层之间夹有几纳米厚的非磁性金属层（通常是铜））在薄膜平面中通过时，薄膜的电阻根据两个铁磁层的磁化方向是平行还是反平行而变化。这种现象称为巨磁阻效应（GMR效应）。如果一个铁磁层的磁化方向固定并且另一铁磁层的磁化方向根据外部磁场而改变，则可以利用GMR效应将外部磁场的方向检测为电阻的变化。换句话说，由于GMR元件是将磁场信号转换为电信号的高灵敏度磁传感器，因此它们可以用于硬盘读取头（见图1）。这称为 GMR 磁头。另一方面，作为下一代磁头的候选者，电流垂直于GMR元件的薄膜表面流动的“CPP-GMR磁头”的研究开发也在进行中。[返回来源]

◆MRAM

磁阻随机存取存储器的缩写MRAM 是使用 TMR 元件的计算机存储器。通过将TMR元件的两个铁磁电极的相对磁化方向设置为平行或反平行，一个TMR元件可以存储一位信息。因为TMR元件在平行状态和反平行状态下的电阻由于TMR效应而不同，所以可以通过测量元件的电阻来读取存储在TMR元件中的信息。[返回来源]

◆溅射设备，溅射成膜【见图5】

通过向引入真空容器的惰性气体（例如Ar）施加高电压来产生等离子体，并且通过施加电场来加速等离子体中的离子（Ar）。⁺一种通过将22094_22215|离子)注入到靶(成膜材料)中，利用从靶喷射的粒子附着到基板上的现象来形成薄膜的方法和装置。荧光灯的玻璃边缘变黑是因为电极材料因溅射效应而粘附在玻璃内壁上。[返回来源]