隧道磁阻器件和隧道磁阻讀磁頭的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明總地涉及隧道磁阻（TMR)器件，并且更具體而言，涉及一種具有氧化鎂 (MgO)隧道勢皇層和含硼鐵磁層的TMR讀磁頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 隧道磁阻（TMR)器件，也被稱為磁隧道結(jié)（MTJ)器件，包括由薄的絕緣隧道勢皇層 分隔的兩個鐵磁層。勢皇層典型地由金屬氧化物制成，所述金屬氧化物足夠薄使得在這兩 個鐵磁層之間發(fā)生載流子的量子力學隧穿。雖然各種金屬氧化物，諸如氧化鋁（A1 203)和氧 化鈦（Ti02)，已經(jīng)被提出作為隧道勢皇材料，但最有可能的材料是結(jié)晶的氧化鎂（MgO)。量 子力學隧穿過程與電子自旋相關(guān)，這意味著：當跨過結(jié)施加傳感電流時所測量的電阻取決 于鐵磁層和勢皇層的自旋相關(guān)的電子特性，并且由這兩個鐵磁層的磁化的相對取向決定。 鐵磁層之一（其被稱為參考層）的磁化被固定或釘扎，而另一鐵磁層（被稱為自由層）的 磁化響應于外部磁場而自由旋轉(zhuǎn)。它們的磁化的相對取向隨外部磁場變化，從而導致電阻 的改變。TMR器件可用作在非易失性磁性隨機存取存儲器（MRAM)陣列中的存儲單元并用作 在磁記錄盤驅(qū)動器中的TMR讀磁頭。
[0003] 圖1示出常規(guī)的TMR讀磁頭10的剖視圖。TMR讀磁頭10包括底部"被固定"或 "被釘扎"參考鐵磁（FM)層18、絕緣隧道勢皇層20以及頂部"自由"FM層32。TMR讀磁頭 10分別具有底部和頂部非磁性電極或引線12、14,底部非磁性電極12形成在適當?shù)囊r底 上。FM層18被稱為參考層，因為在TMR器件的感興趣的期望范圍內(nèi)存在所施加的磁場（即， 來自磁記錄盤中的磁性層的記錄區(qū)的磁場）時，F(xiàn)M層18的磁化被防止旋轉(zhuǎn)。該參考FM層 18的磁化可通過由高矯頑力膜形成或通過交換耦合到反鐵磁（AF) "釘扎"層而被固定或釘 扎。參考FM層18可以是反平行（AP)被釘扎或磁通閉合（flux-closure)結(jié)構(gòu)的一部分， 其中兩個鐵磁層由反平行耦合（APC)間隔層分隔，于是反平行耦合以形成磁通閉合，如在 US5, 465, 185中所述。在感興趣的范圍內(nèi)存在施加的磁場時，自由FM層32的磁化自由旋 轉(zhuǎn)。不存在施加的磁場時，F(xiàn)M層18和32的磁化一般在TMR讀磁頭10中垂直排列。FM層 18、32的磁化的相對取向決定TMR器件的電阻。
[0004] 已知的是，由于具有一定對稱性的電子的相干隧穿，具有MgO隧道勢皇，特別是 Fe/MgO/Fe、CoFe/MgO/CoFe、Co/MgO/Co隧道結(jié)，的TMR器件表現(xiàn)出非常大的磁阻。然而，MgO 隧道結(jié)需要具有（001)外延和完美的結(jié)晶度。MgO勢皇層典型地通過濺射沉積和隨后的退 火形成，這形成晶體結(jié)構(gòu)。對于CoFe/MgO/CoFe隧道結(jié)，已知的是，由于MgO勢皇層的差的 結(jié)晶度，磁電阻低。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當硼（B)被用于一個或多個參考層和自由鐵磁層中時， 諸如通過在多層結(jié)構(gòu)中使用薄的非晶CoFeB或CoFeBTa層，在退火之后觀察到更高的隧道 磁阻（AR/R或TMR)。已知非晶CoFeB層有助于MgO在（001)方向上的高品質(zhì)結(jié)晶，因而具 有更高的TMR。
[0005] 具有甚至更高的TMR的高級TMR器件將需要降低電阻面積乘積（resistance-area product，RA)，這意味著MgO勢皇層將需要被做得更薄。然而，隨著MgO厚度減小，TMR也減 小，這被認為是部分由于硼擴散到MgO勢皇層中。MgO厚度的減小還導致層間耦合場（Hint) 的不期望增加，即，在參考層與自由層之間的磁耦合場的強度的不期望增加。大的Hint使 TMR讀磁頭的性能退化。隨著MgO勢皇層厚度減小，重要的是具有低Hint值。
[0006] 所需要的是具有薄MgO勢皇層并從而具有減小的RA但是具有高TMR和低Hint的 TMR器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的實施例涉及一種具有薄的MgO勢皇層以及在MgO勢皇層和自由和/或參 考含硼鐵磁層之間的含氮層的TMR器件。在一個實施例中，自由鐵磁層包括含硼層以及在 MgO勢皇層和含硼層之間的三層納米層結(jié)構(gòu)。該三層納米層結(jié)構(gòu)包括：與MgO層接觸的薄 的Co、Fe或CoFe第一納米層，在第一納米層上的薄的FeN或CoFeN第二納米層，以及在FeN 或CoFeN納米層和含硼層之間的FeN或CoFeN納米層上的薄的Co、Fe或CoFe第三納米層。 如果參考鐵磁層還包括含硼層，則類似的三層納米層結(jié)構(gòu)可以位于含硼層和MgO勢皇層之 間。根據(jù)本發(fā)明的實施例的TMR器件比沒有含氮層的TMR器件表現(xiàn)出大的TMR值和低的用 于薄的MgO勢皇層的層間耦合場（H int)的值。
[0008] 為了更充分地理解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點，應當參考對連同附圖進行的以下詳細描 述。
【附圖說明】
[0009] 圖1是示出常規(guī)的隧道磁阻（TMR)讀磁頭的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
[0010] 圖2是示出現(xiàn)有技術(shù)TMR讀磁頭的詳細結(jié)構(gòu)的剖視圖。
[0011] 圖3是示出在現(xiàn)有技術(shù)TMR讀磁頭中具有存在于參考層和自由層中的硼的典型的 參考層/MgO/自由層結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0012] 圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的參考層/MgO/自由層結(jié)構(gòu)的示意圖，參考層/ MgO/自由層結(jié)構(gòu)具有存在于參考層和自由層中的硼以及具有在MgO勢皇層和含硼層之間 的含氮層。
[0013] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于試驗器件并且用于檢驗器件的電阻面積乘積 (RA)的函數(shù)的TMR的圖表。
[0014] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于試驗器件并且用于檢驗器件的RA的函數(shù)的層 間親合場（H int)的圖表。
【具體實施方式】
[0015] 圖2是示出像在磁記錄盤驅(qū)動器中使用的現(xiàn)有技術(shù)的TMR讀磁頭100的結(jié)構(gòu)的剖 面高度示意的圖。該剖視圖是通常被稱為TMR讀磁頭100的空氣軸承表面（ABS)的視圖。 TMR讀磁頭100包括在典型地由電鍍NiFe合金膜制成的兩個鐵磁屏蔽層Sl、S2之間形成 的傳感器堆疊層。下部屏蔽S1典型地通過化學機械拋光（CMP)平滑，以提供用于傳感器堆 疊生長的平滑表面。傳感器堆疊包括：具有橫向（遠離頁面）取向的被釘扎磁化121的鐵 磁參考層120、具有響應于來自記錄盤的橫向外部磁場而可以在層110的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的磁 化111的鐵磁自由層110、以及在鐵磁參考層120和鐵磁自由層110之間且典型地是氧化鎂 (MgO)的電絕緣隧道勢皇層130。
[0016] 參考層120可以是常規(guī)的"簡單"或單個被釘扎層，其典型地通過交換耦合到反 鐵磁層而使其磁化方向121被釘扎或固定。然而，在圖2的例子中，參考層120是公知的 反平行（AP)被釘扎或磁通閉合結(jié)構(gòu)的部分，也被稱為"層疊的"被釘扎層，如在美國專利 5, 465, 185中所述的。該AP被釘扎結(jié)構(gòu)最小化參考層120與自由層110的靜磁耦合。AP被 釘扎結(jié)構(gòu)包括跨過諸如Ru、Ir、Rh或Cr或其合金的AP耦合（APC)層123反鐵磁耦合的參 考鐵磁（AP2)層120和下部被釘扎鐵磁（API)層122。由于跨過APC層123反平行耦合，參 考（AP2)和被釘扎（API)鐵磁層120、122的各自的磁化12U127彼此反平行取向。結(jié)果， AP2和API鐵磁層120、122的凈磁化較小，從而充分地最小化由鐵磁自由層110中的磁通閉 合結(jié)構(gòu)引起的退磁場，于是TMR讀磁頭最佳地操作變得可行。
[0017] 位于下部屏蔽層S1和