專利名稱：隧道磁阻器件、其制造方法、磁頭及磁存儲器的制作方法
技術領域：
本申請涉及一種隧道磁阻器件及其制造方法，并且更加特別地涉及一種 隨著外部磁場而改變電阻的隧道磁阻器件及其制造方法，該隧道磁阻器件可 應用于磁記錄設備的讀出磁頭(reproducinghead)和磁存儲器。
背景技術：
在具有"金屬/絕緣膜/金屬"結構的結中，該結構由絕緣膜和將絕緣膜 夾入中間的金屬膜構成，當在相對的金屬層上施加電壓時，如果絕緣膜非常 薄，那么有小的電流流過。通常，電流不流過絕緣膜。然而，如果絕緣膜非 常薄，例如幾nm或更薄，由于量子力學效應，電子以一定幾率穿過絕緣膜。 穿過絕緣膜的電子流稱作"隧道電流"，并且其結構稱作"隧道結"。
通常，將金屬氧化物膜用作隧道結的絕緣膜。例如，通過自然氧化、等 離子體氧化或熱氧化鋁的表面層，形成薄氧化鋁絕緣膜。通過控制氧化條件， 能夠形成適用于隧道結并且具有幾nm厚度的絕緣膜。
具有隧道結的器件表現(xiàn)出非線性電流-電壓特性，并且用作非線性器件。
由鐵磁材料制成相對金屬層的隧道結結構稱作"鐵磁隧道結"。鐵磁隧 道結的隧穿幾率(隧道電阻)依賴于相對鐵磁材料的磁化狀態(tài)。因此，通過 施加外部磁場來控制磁化狀態(tài)，可改變隧道電阻。隧道電阻R可用下面的方 程式表示
R=Rs+O.5AR(l-cos0)
其中，e是相對鐵磁材料的磁化方向之間的相對角。Rs表示在磁化 方向的相對角e為o時、也就是在磁化方向平行時的隧道電阻，而AR表 示在磁化方向的相對角e為180°時、也就是在磁化方向逆平行時的隧道
電阻與在磁化方向平行時的隧道電阻之間的差異。
隧道電阻隨著鐵磁材料的磁化方向而改變的現(xiàn)象，導致鐵磁材料中電子 極化。通常在金屬中存在處于向上自旋狀態(tài)的自旋向上電子以及處于向下自 旋狀態(tài)的自旋向下電子。在非磁性金屬中，存在相同數(shù)量的自旋向上電子和 自旋向下電子。因此總體上不表現(xiàn)磁性。在鐵磁材料中，自旋向上電子的數(shù)
量(Nnp)與自旋向下電子的數(shù)量(Ndown)是不同的，以致于鐵磁材料總 體上表現(xiàn)出自旋向上磁性或自旋向下磁性。
眾所周知，當電子通過隧道現(xiàn)象穿過勢壘層時，電子保持其自旋狀態(tài)。 因此，如果在作為目的地的隧道(tunnel destination)鐵電材料中存在空的電 子量子能級，則電子能穿過勢壘層。如果沒有空的電子量子能極，則電子不 能穿過勢壘層。
隧道電阻的變化率AR/Rs用下面的方程式表示
AR/Rs二2PtP2/(l國PiP2)
其中，Pi和P2是位于勢壘層兩側(cè)的鐵電材料的自旋極化率。自旋極化率 由下面的方程式給出
P=2(Nup-Ndown)/( Nup+Ndown)
例如，NiFe、 Co和CoFe的自旋極化率分別是0.3、 0.34和0.46。因此， 理論上可以實現(xiàn)約20%、 26%和54%的隧道電阻變化率。隧道電阻的變化 率大于通過各向異性磁阻(AMR)效應和巨磁阻(GMR)效應引起的電阻 變化率。因此，期望使用隧道磁阻器件的磁頭對于高分辨率的磁性記錄/再現(xiàn) 是有效的(例如，參考日本專利公開No.2871670)。
已經(jīng)提出了隧道磁阻器件，其具有使用氧化鎂(MgO)作為勢壘層且使 用單晶鐵(Fe)作為鐵電材料層的Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)層疊結構(參 考Yuasa等人，Nature Materials vo1.3 (2004) p.868國p.871) 。 " (001)"表 示單晶的(001)面朝向與襯底表面平行的方向。據(jù)報導，這樣的隧道磁阻 器件在室溫下表現(xiàn)出200%或更高的隧道電阻變化率。
據(jù)報導，使用非晶CoFe取代單晶Fe而具有CoFe/MgO(001)/CoFe層疊 結構的隧道磁阻器件，在室溫下表現(xiàn)出220%的隧道電阻變化率(參考Parkin 等人，Nature Materials vol.3 (2004) p.862誦p.867)。此外，據(jù)報導，具有
CoFeB/MgO/CoFeB層疊結構的隧道磁阻器件表現(xiàn)出很高的隧道電阻變化率 (參考Tsunekawa等人，Effect of Capping Layer Material on Tunnel Magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic Tunnel Junctions, International Magnetic Conference 2005， HP-08, p.992)。
圖9A示出了由CoFeB/MgO/CoFeB層疊結構組成的隧道磁阻器件的示 例。具有50nm厚度的Ta底層101、具有15nm厚度的PtMn釘扎層102、具 有3nm厚度的CoFe第一被釘扎層103、具有0.8nm厚度的Ru非磁耦合層 104、具有3nm厚度的CoFeB第二被釘扎層105、具有2nm厚度的MgO勢 壘層106、具有3nm厚度的CoFeB自由層107、具有10nm厚度的Ta第一 蓋層108、以及具有10nm厚度的Ru第二蓋層109，依次形成在支撐襯底100 之上，該支撐襯底100由Si或Si02形成。
圖9B示出外部磁場和電阻變化率之間的關系。電阻變化率由(R-Rs)/Rs 來定義，其中Rs為當被釘扎層103和105的磁化方向與自由層107的磁化 方向平行時的器件電阻，而R為當施加外部磁場時的器件電阻?？梢钥闯觯?得到了約200%的最大電阻變化率。

發(fā)明內(nèi)容
在將隧道磁阻器件應用于磁頭時，需要具有期望的磁特性，即磁化特性、 磁彈性特性、矯頑力、磁各向異性等等。例如，從圖9B中示出的測量結果 可以知道，需要約50Os的磁場(矯頑力)以使隧道磁阻器件的自由層107 的磁化反轉(zhuǎn)。為了將器件應用于磁頭，需要降低矯頑力。通過在由CoFeB制 成的自由層107上堆疊具有比CoFeB小的矯頑力的軟磁材料使有效矯頑力降 低。
如果具有小矯頑力的軟磁材料例如NiFe堆疊在CoFeB的自由層上，電 阻變化率降低。這一點記載在上面引用的由Tsunekawa等寫的文獻中。
本發(fā)明的一個目的是提供一種具有良好磁特性并且能夠抑制隧道電阻 變化率變低的隧道磁阻器件。本發(fā)明的另 一個目的是提供所述隧道磁阻器件 的制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方案，提供一種隧道磁阻器件，包括 被釘扎層，由具有固定磁化方向的鐵磁材料制成； 勢壘層，設置在該被釘扎層上，并且具有允許電子以隧道現(xiàn)象穿過的厚
度；
第一自由層，設置在該勢壘層上，并且由在外部磁場下磁化方向發(fā)生改 變的非晶或細晶軟磁材料制成；以及
第二自由層，設置在該第一自由層上，并且由在外部磁場下磁化方向發(fā) 生改變的晶體軟磁材料制成，該第二自由層與該第一自由層交互耦合。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供一種隧道磁阻器件的制造方法，包括以下 步驟
(a) 在支撐襯底上形成釘扎層，該釘扎層由反鐵磁材料制成；
(b) 在該釘扎層上形成被釘扎層，該被釘扎層由鐵磁材料制成，該被 釘扎層的磁化方向通過與該釘扎層的交互作用而固定；
(c) 在該被釘扎層上形成勢壘層，該勢壘層具有允許電子以隧道現(xiàn)象 穿過的厚度；
(d) 在該勢壘層上形成第一自由層，該第一自由層由非晶或細晶軟磁 材料制成；
(e) 將該第一自由層的表面暴露于氮等離子體；
(f) 在已暴露于氮等離子體的該第一 自由層上形成第二自由層，該第二 自由層由晶體軟磁材料制成；以及
(g) 通過將該支撐襯底與該第二自由層之間的層疊結構體置于磁場中 對該釘扎層進行規(guī)則化熱處理工藝。
根據(jù)本發(fā)明又一個方案，提供一種隧道磁阻器件的制造方法，包括以下 步驟
(a) 在支撐襯底上形成釘扎層，該釘扎層由反鐵磁材料制成；
(b) 在該釘扎層上形成被釘扎層，該被釘扎層由鐵磁材料制成，該被 釘扎層的磁化方向通過與該釘扎層的交互作用而固定；
(c) 在該被釘扎層上形成勢壘層，該勢壘層具有允許電子以隧道現(xiàn)象 穿過的厚度；
(d) 在該勢壘層上形成第一自由層，該第一自由層由非晶或細晶軟磁 材料制成；
(e) 在該第一自由層上形成結晶抑制層； (f) 在該結晶抑制層上形成第二自由層，該第二自由層由晶體軟磁材料 制成；以及
(g) 通過將該支撐襯底與該第二自由層之間的層疊結構體置于磁場中， 對該釘扎層進行規(guī)則化熱處理工藝，
其中，在進行該步驟(g)期間，該結晶抑制層通過延續(xù)該第二自由層 的晶體結構來抑制該第一自由層結晶。
根據(jù)本發(fā)明的又一方案，提供一種設有隧道磁阻器件的磁頭。 根據(jù)本發(fā)明的又一方案，提供一種磁存儲器，包括 隧道磁阻器件；
記錄裝置，用于向該隧道磁阻器件施加磁場以改變該隧道磁阻器件的第
一自由層和第二自由層的磁化方向；以及
再現(xiàn)裝置，用于將感測電流通入該隧道磁阻器件以檢測該隧道磁阻器件 的電阻。
由于該第一自由層為非晶或細晶體，因此與第一自由層為(111)取向 的情況相比，獲得了更大的電阻變化。


圖IA和圖1B是根據(jù)第一實施例的隧道磁阻器件的截面圖和平面圖。 圖2A至圖2D是在第一實施例的制造過程中，隧道磁阻器件的截面圖。 圖3A和圖3B分別是示出第一實施例和比較示例的隧道磁阻器件的電阻
變化率與施加的磁場之間關系的曲線圖。
圖4A和圖4B分別是第一實施例和比較示例的隧道磁阻器件截面中的
TEM照片。
圖5是根據(jù)第二實施例的隧道磁阻器件的截面圖。
圖6A和圖6B分別是示出第二實施例和比較示例的隧道磁阻器件的電阻 變化率與施加的磁場之間關系的曲線圖。
圖7是使用第一和第二實施例的各個隧道磁阻器件的磁頭前視圖。
圖8A是使用第一和第二實施例的各個隧道磁阻器件的MRAM的截面 圖，而圖8B是MRAM的等效電路。
圖9A是傳統(tǒng)隧道磁阻器件的截面圖，而圖9B是示出電阻變化率與施加
的磁場之間關系的曲線圖。
具體實施例方式
圖IA和圖1B是根據(jù)第一實施例的隧道磁阻器件的截面圖和平面圖。圖 1A對應圖1B沿點劃線1A-1A的截面圖。
如圖1A中所示，MFe導電層12形成在支撐襯底10上，該支撐襯底10 具有形成在Si上的SiOj莫。例如AlTiC之類的陶瓷材料和石英玻璃等其它 材料可用作支撐襯底10的材料。NiFe導電層12的表面通過化學機械拋光 (CMP)平坦化。圓柱形的隧道磁阻器件40形成在導電層12的局部區(qū)域上。
通過依次層疊第一底層13、第二底層14、釘扎層18、第一被釘扎層20、 非磁耦合層21、第二被釘扎層22、勢壘層25、第一自由層30、第二自由層 32、第一蓋層35和第二蓋層36，形成隧道磁阻器件40。
第一底層13由Ta制成并且具有約5nm的厚度。第一底層13可由Cu 或Au制成，或者是這些材料的疊層。第二底層14由Ru制成并且具有約2nm 的厚度。
釘扎層18由IrMn制成并且具有約7nm的厚度。釘扎層18可由除IrMn 之外的反鐵磁材料制成，例如Mn和選自Pt、 Pd、 Ni、 Ir和Rh中的至少一 種元素的合金。釘扎層18的厚度優(yōu)選在5nm至30nm的范圍內(nèi)，并且更優(yōu) 選地在10nm至20nm的范圍內(nèi)。在沉積釘扎層18后，通過在磁場中進行熱 處理而使釘扎層18規(guī)則化，釘扎層18表現(xiàn)反鐵磁性。
第一被釘扎層20由Co74Fe26制成并且具有例如2nm的厚度。非磁耦合 層21由Ru制成并且具有例如0.8nm的厚度。第二被釘扎層22由Co60Fe20B20 制成并且具有例如2nm的厚度。第一被釘扎層20通過與釘扎層18的交互作 用，其磁化方向固定為特定方向。也就是，即使施加了外部磁場，如果磁場 強度比交互作用弱，第一被釘扎層20的磁化方向不改變。第一被釘扎層20 和第二被釘扎層22通過非磁耦合層21而反鐵磁地交互耦合。
非磁耦合層21的厚度設置在允許第一被釘扎層20和第二被釘扎層22 彼此反鐵磁地交互耦合的范圍內(nèi)。所述厚度在0.4nm至1.5nm的范圍內(nèi)，并 且優(yōu)選地在0.4nm至0.9nm的范圍內(nèi)。第一被釘扎層20和第二被釘扎層22 可由包含Co、 Ni和Fe之一的鐵磁材料制成。除了 Ru，非磁耦合層21還可由非磁材料例如Rh、 Ir、 Ru基合金、Rh基合金和Ir基合金制成。包含Ru 和選自Co、 Cr、 Fe、 Ni和Mn中的至少一種元素的合金，可被引用作為Ru 基合金的一個示例。
第一被釘扎層20的磁化方向和第二被釘扎層22的磁化方向為逆平行 的，使得來自第一被釘扎層20和第二被釘扎層22的凈泄漏磁場的強度降低。 這減輕了泄漏磁場使第一 自由層30和第二自由層32的磁化方向改變的不利 影響。因此，第一自由層30和第二自由層32的磁化能夠準確地響應來自磁 記錄介質(zhì)的泄漏磁場，并且提高了對記錄在磁記錄介質(zhì)中的磁化的檢測準確 性。
勢壘層25由MgO制成并且具有例如l.Onm的厚度。優(yōu)選的是，MgO 勢壘層25為晶體，并且特別優(yōu)選的是，MgO (001)面的取向通常與襯底表 面平行。從良好膜品質(zhì)的觀點來看，勢壘層25的厚度優(yōu)選在0.7nm至2.0nm 的范圍內(nèi)。除了MgO，勢壘層25還可由A10x、 TiOx、 ZrO x、 A1N、 TiN、 ZrN等制成。如果勢壘層25由MgO以外的材料制成，其厚度優(yōu)選在0.5nm 至2.0nm的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選地在0.7nm至1.2nm的范圍內(nèi)。
第一 自由層30由非晶Co6oFe2oB2o制成并且具有約2nm的厚度。從第一 自由層30容易為非晶的觀點來看，B濃度優(yōu)選在10原子X (原子百分比) 至25原子％的范圍內(nèi)。除了CoFeB，第一自由層30還可由加入了選自B、 C、 Al、 Si和Zr中的至少一種元素的軟磁材料制成。
第二自由層32由Ni8oFe2。制成并且具有例如4nm的厚度。第二自由層 32由具有小于第一自由層30的矯頑力的軟磁材料制成。取代NiFe， CoNiFe 可被引用作為第二自由層32的材料，該CoNiFe具有允許為面心立方結構的 成分。選自B、 C、 Al、 Si和Zr中的至少一種元素可加入到NiFe和CoNiFe 中。將加入元素的濃度設置為比第一 自由層30中加入的元素的濃度低。
通過鐵磁耦合具有較小矯頑力的第二自由層32和第一自由層30，提高 了對外部磁場改變的靈敏度。通常，鐵磁膜對于外部磁場的變化越靈敏，矯 頑力越小。由于第二自由層32的矯頑力比第一自由層30的矯頑力低，因此 當外部磁場的方向改變時，在第一自由層30的磁化方向改變前，第二自由 層32的磁化方向就改變。由于第一 自由層30與第二自由層32鐵磁交互耦 合，因此隨著第二自由層32的磁化方向改變，第一自由層30的磁化方向改
變。因此，第一自由層30的磁化方向更易受外部磁場方向變化的影響。由 于第一自由層30的磁化方向有助于電阻變化率，因此通過設置第二自由層
32，可以提高隧道磁阻器件的靈敏度。
第一蓋層35由Ta制成并且具有例如5nm的厚度。第二蓋層36由Ru 制成并且具有例如lOnm的厚度。第一蓋層35和第二蓋層36防止下面的鐵 磁層等在熱處理過程中氧化。第一蓋層35可由Ru制成，而第二蓋層36可 由Ta制成。更為一般地，蓋層可由非磁金屬例如Au、 Ta、 Al、 W和Ru制 成，或由這些金屬制成的多個層的層疊結構構成。蓋層的總厚度優(yōu)選在5nm 至30nm的范圍內(nèi)。
導電層12的表面上沒有設置隧道磁阻器件40的區(qū)域，被由絕緣材料例 如Si02制成的絕緣膜48覆蓋。第一電極45形成在隧道磁阻器件40和絕緣 膜48上。第一電極45與第二蓋層36電連接。穿過絕緣膜48形成通孔，該 通孔達到導電層12。通孔由第二電極46填充。第二電極46與導電層12電 連接。第一電極45和第二電極46由例如Cu制成。
下面，參考圖2A至圖2D，將對第一實施例的隧道磁阻器件的制造方法 進行描述。
如圖2A中所示，通過磁電管濺射系統(tǒng)，在支撐襯底10上形成從導電層 12直到第一自由層30這些層。
如圖2B中所示，第一自由層30暴露在氮等離子體38中。例如，在下 列條件下進行這個等離子體工藝
氮氣流率訓sccm
RF功率50W
工藝時間30秒
如圖2C中所示，通過使用磁電管濺射系統(tǒng)，在經(jīng)過氮等離子體表面處 理的第一自由層30上，形成第二自由層32、第一蓋層35以及第二蓋層36。 然后，在施加磁場的狀態(tài)下，將襯底設置在真空中并且對釘扎層18進行規(guī) 則化熱處理工藝。熱處理溫度為例如27(TC并且熱處理時間為例如四小對。 熱處理溫度可在25(TC至400°C的范圍內(nèi)。
如圖2D中所示，圖案化第一底層13和第二蓋層36之間的各層，以形 成圓柱形的隧道磁阻器件40。通過Ar離子研磨進行這些層的圖案化。然后，
如圖1A中所示，形成了絕緣膜48、第一電極45、穿過絕緣膜48的通孔和 第二電極46。
圖3A示出通過第一實施例的方法制造的隧道磁阻器件的電阻變化率。 為參考目的，同樣示出了圖2B中示出的在未進行氮等離子體工藝的情況下 制造的比較示例的電阻變化率。未進行氮等離子體工藝的比較示例的隧道磁 阻器件具有約20%的最大電阻變化率，然而通過第一實施例的方法制造的隧 道磁阻器件具有約60%的最大電阻變化率。由于將具有較小矯頑力的第二自 由層32設置在第一自由層30上，自由層的有效矯頑力為500s或更弱。與 圖9A中示出的隧道磁阻器件的自由層107具有約5000s的矯頑力相比，設 置第二自由層32的好處是顯然的。
通過設置第二自由層32，可使得矯頑力變小。然而，如果僅僅在第一自 由層30上設置第二自由層32，則電阻變化率會降低，如圖3B中所示。如 在第一實施例中，在第一 自由層30形成之后并且在第二自由層32形成之前， 通過將第一自由層30暴露在氮等離子體38中，可保持高的電阻變化率。下 面，將要對可保持高電阻變化率的原因進行研究。
圖4A和4B分別示出第一實施例和比較示例的隧道磁阻器件截面的透射 電子顯微鏡(TEM)照片。在比較示例中，可從圖4B中看出，由CoFeB制 成的第一自由層30是多晶化的?？梢哉J為，在對釘扎層18的規(guī)則化熱處理 和其它熱處理過程中，從第一自由層30與第二自由層32之間的界面開始朝 向第一自由層30的內(nèi)部進行結晶。因此，盡管第一自由層30在剛形成膜之 后是非晶的，但是通過隨后的熱處理使第一自由層30結晶。從TEM照片中 結晶面之間的距離可以理解，第一自由層30的CoFeB具有取向優(yōu)選為與襯 底表面平行的(111)面。
如圖4A中所示，第一實施例中，在第一自由層30中沒有觀察到晶體結 構，并且第一自由層30為非晶。眾所周知，如果與勢壘層25接觸的鐵磁層 具有(111)取向，則電阻變化率降低。在第一實施例中，通過使第一自由 層30為非晶，抑制電阻變化率變低。
從TEM照片可以看出，第一實施例隧道磁阻器件的NiFe第二自由層32 具有(111)取向。由于第二自由層32不與勢壘層25接觸，因此第二自由 層32的(111)取向不會導致電阻變化率降低。
在第一實施例中，第二自由層32由晶體鐵磁材料制成，該晶體鐵磁材 料具有面心立方結構以及(111)取向。在形成第一自由層30之后，對它的
表面進行等離子體工藝。因此，通過在第一自由層30上延續(xù)第二自由層32 的晶體結構，可以防止第一自由層30結晶。即使第二自由層32的晶粒取向 為隨機的(即第二自由層32無取向)，通過使第一自由層30為非晶，可以 抑制電阻變化率變降低。
在第一實施例中，將組成第一自由層30的Co、 Fe和B的成分比率分別 設置為60原子％、 20原子％和20原子％。為了使得CoFe合金為非晶， 加入B。為了使得第一自由層30為非晶，優(yōu)選將B濃度設置為10原子％或 更高。
通常，不容易明確地區(qū)分非晶態(tài)與細晶態(tài)。如圖4B中所示，如果在第 一自由層30中觀察到清晰的晶格圖像，可確定第一自由層30為晶體。如果 在第一 自由層30中觀察不到清晰的晶格圖像，可確定第一 自由層30為非晶 或細晶體。即使第一自由層30是細晶體，仍然可以抑制電阻變化率變低， 優(yōu)于第一 自由層30為晶體的情況。如果在組成第一 自由層30的CoFeB的X 射線衍射圖形中未出現(xiàn)尖峰，可以確定第一自由層30為非晶或細晶體。
在一些情況下，將位于勢壘層25與第一自由層30之間界面附近的非常 薄區(qū)域結晶。然而，如果第一自由層30的大部分區(qū)域為非晶或細晶體，可 以得到抑制電阻變化率降低的充足優(yōu)點。如果非常薄結晶區(qū)域具有最多 0.5nm的厚度，可以確定第一 自由層30總體上為非晶或細晶體。
圖5是根據(jù)第二實施例的隧道磁阻器件的截面圖。在第二實施例中，將 結晶抑制層50插入到第一自由層30與第二自由層32之間。結晶抑制層50 是具有例如0.2nm厚度的Ta層，并且通過磁電管濺射形成。在第二實施例 中，第一自由層30的表面不進行第一實施例的圖2B中所示的氮等離子體處 理。其它結構與第一實施例的那些一樣。
在第二實施例中，在對釘扎層18的規(guī)則化熱處理過程中，結晶抑制層 50抑制了第一自由層30的結晶。因此，如同在第一實施例的情況下，第一 自由層30保持非晶態(tài)。為了使第一 自由層30與第二自由層32交互耦合， 優(yōu)選的是將結晶抑制層50的厚度設置為0.5nm或更薄。如果確保了結晶抑 制效果，可將結晶抑制層50減薄為一個原子層。
圖6A示出第二實施例的隧道磁阻器件的電阻變化率與施加的磁場之間
的關系。為比較目的，圖6B示出了不具備結晶抑制層50的隧道磁阻器件的
電阻變化率與施加的磁場之間的關系。第二實施例的隧道磁阻器的最大電阻
變化率為約62%，但是比較示例的最大電阻變化率為約17%。第二實施例 和比較示例的隧道磁阻器件的矯頑力分別是4.90s和4.30s?？梢钥闯?，通 過設置結晶抑制層50，得到了大的電阻變化率。
其它能夠抑制第一自由層30結晶的導電材料，可以用作結晶抑制膜50 的材料?？梢肏f、 Zr、 Pd等作為結晶抑制膜50的可用材料。
圖7示出包括第一和第二實施例的各個隧道磁阻器件的磁頭的、面對磁 記錄介質(zhì)的表面主要部分。氧化鋁膜76形成在由Al2OrTiC等制成的基體 (base body) 75上。再現(xiàn)單元80設置在氧化鋁膜76上，并且感應型記錄單 元90設置在再現(xiàn)單元80上。
感應型記錄單元90包括下磁極91、上磁極92和設置在磁極之間的記錄 間隙層93。上磁極92具有與磁記錄介質(zhì)的磁道寬度對應的寬度。感應型記 錄單元90進一步包括磁軛(yoke)(未示出)以及纏繞在磁軛上的線圈(未 示出)，其中磁軛用于磁耦合下磁極91和上磁極92。當記錄電流流過線圈 時，感生記錄磁場。
下磁極91和上磁極92由軟磁材料制成。具有大飽和磁通密度的材料， 例如Ni8QFe2()、 CoZrNb、 FeN、 FeSiN、 FeCo合金可優(yōu)選用作下磁極91和上 磁極92的材料。感應型記錄單元90可由具有其它結構的記錄單元代替。
下面，將描述再現(xiàn)單元80的結構。下電極81形成在氧化鋁膜76上。 隧道磁阻器件85形成在下電極81的部分表面區(qū)域上。隧道磁阻器件85具 有與第一或第二實施例的隧道磁阻器件相同的結構。
絕緣膜82覆蓋隧道磁阻器件85的側(cè)壁以及與該側(cè)壁相連的下電極81 的表面。磁疇控制膜83設置在隧道磁阻器件85的兩側(cè)。每個磁疇控制膜83 具有層疊結構，該層疊結構具有例如從下電極81側(cè)開始依次堆疊的Cr膜和 鐵磁CoCrPt膜。磁疇控制膜83使得組成隧道磁阻器件85的每個被釘扎層 和自由層具有單磁疇，從而防止產(chǎn)生巴克豪森噪聲(Barkhausennoises)。
在隧道磁阻器件85和磁疇控制膜83上形成氧化鋁膜86，并且在氧化鋁 膜86上形成上電極87。上電極87的部分穿透氧化鋁膜86并且與隧道磁阻
器件85的上表面電連接。
下電極81和上電極87由軟磁合金例如NiFe和CoFe制成，并且具有磁 屏蔽作用和作為感測電流(sense current)流動路徑的作用。Cu、 Ta、 Ti等 制成的導電膜被設置在下電極81和隧道磁阻器件85之間的界面處。
為防止腐蝕等等，以氧化鋁膜、氫化碳膜等覆蓋再現(xiàn)單元80和感應型 記錄單元90。
感測電流沿著隧道磁阻器件85的厚度方向流過隧道磁阻器件85。檢測 隧道磁阻器件85的隧道電阻變化，作為電壓變化。
圖8A是使用第一或第二實施例的隧道磁阻器件的磁隨機存取存儲器 (MRAM)的截面圖，而圖8B是MRAM的等效電路。設置在硅襯底60表 面的是再現(xiàn)字線62、 MOS晶體管63、記錄字線68、位線69和隧道磁阻器
件70。再現(xiàn)字線62和記錄字線68是--對應的(one-to陽one correspondence),
并且沿著第一方向延伸(與圖8A的圖紙表面垂直的方向，圖8B中的垂直方 向)。位線69沿著與第一方向相交的第二方向(圖8A和圖8B中的水平方 向)延伸。
在再現(xiàn)字線62與位線69間的交叉點設置MOS晶體管63。再現(xiàn)字線62 也作為MOS晶體管63的柵電極。即，通過施加在再現(xiàn)字線62上的電壓控 制MOS晶體管63的導電狀態(tài)。
在記錄字線68與位線69間的交叉點設置隧道磁阻器件70，并且該隧道 磁阻器件70具有與第一或第二實施例的隧道磁阻器件相同的結構。
由于記錄電流流過記錄字線68和位線69，因此位于記錄字線68和位線 69交叉點的隧道磁阻器件70的自由層中磁化方向改變。通過改變磁化方向 寫入數(shù)據(jù)。在設置在不同于交叉點位置處的隧道磁阻器件中，其中該交叉點 為流過記錄電流的記錄字線68和位線69的交叉點，由于沒有產(chǎn)生其強度足 以改變自由層磁化方向的磁場，因此沒有寫入數(shù)據(jù)。
通過布線67以及穿透多層布線層的多個插塞64和隔離布線65，隧道磁 阻器件70的最下導電層連接至MOS晶體管63的一個雜質(zhì)擴散區(qū)域61。隧 道磁阻器件70的最上導電層連接至位線69。也就是，布線67和位線69用 作施加感測電流的電極，該感測電流沿著隧道磁阻器件70的厚度方向流過 隧道磁阻器件70。 通過插塞64， MOS晶體管63的另一雜質(zhì)擴散區(qū)域61連接至板線(plate line) 66。當MOS晶體管63處于導通狀態(tài)時，取決于隧道磁阻器件70電阻 的電流在位線69與板線66之間流動。通過判斷這個電流的大小，可讀取數(shù) 據(jù)。
通過將與第一或第二實施例相同的結構應用于隧道磁阻器件70，可以降 低自由層的矯頑力以及增大電流變化量。因此，當再現(xiàn)記錄的數(shù)據(jù)時，可以 降低記錄電流以及保持大的余量。
結合優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。發(fā)明不局限于上述實施例。對本領域技 術人員來說，顯然可以進行其它各種各樣的修正、改進、結合等等。
權利要求
1、一種隧道磁阻器件，包括被釘扎層，由具有固定磁化方向的鐵磁材料制成；勢壘層，設置在該被釘扎層上，并且具有允許電子以隧道現(xiàn)象穿過的厚度；第一自由層，設置在該勢壘層上，并且由在外部磁場下磁化方向發(fā)生改變的非晶或細晶軟磁材料制成；以及第二自由層，設置在該第一自由層上，并且由在外部磁場下磁化方向發(fā)生改變的晶體軟磁材料制成，該第二自由層與該第一自由層交互耦合。
2、 根據(jù)權利要求1所述的隧道磁阻器件，其中該第一自由層由加入選 自B、 C、 Al、 Si和Zr中的至少一種元素的軟磁材料CoFe制成。
3、 根據(jù)權利要求1所述的隧道磁阻器件，其中該第一自由層由CoFeB 制成，并且B的濃度為10原子X或更高。
4、 根據(jù)權利要求1所述的隧道磁阻器件，其中該第二自由層為具有面 心立方結構的多晶體，并且沒有取向或具有取向優(yōu)選為平行于襯底表面的(111)面。
5、 根據(jù)權利要求1所述的隧道磁阻器件，其中該第二自由層的矯頑力 小于該第一自由層的矯頑力。
6、 根據(jù)權利要求1所述的隧道磁阻器件，進一步包括設置在該第一自 由層與該第二自由層之間的結晶抑制層，該結晶抑制層通過延續(xù)該第二自由 層的晶體結構來防止該第一自由層結晶。
7、 根據(jù)權利要求6所述的隧道磁阻器件，其中該結晶抑制層由Ta制成。
8、 一種隧道磁阻器件的制造方法，包括以下步驟(a) 在支撐襯底上形成釘扎層，該釘扎層由反鐵磁材料制成；(b) 在該釘扎層上形成被釘扎層，該被釘扎層由鐵磁材料制成，該被 釘扎層的磁化方向通過與該釘扎層的交互作用而固定；(c) 在該被釘扎層上形成勢壘層，該勢壘層具有允許電子以隧道現(xiàn)象 穿過的厚度；(d) 在該勢壘層上形成第一自由層，該第一自由層由非晶或細晶軟磁材料制成；(e) 將該第一自由層的表面暴露于氮等離子體；(f) 在已暴露于氮等離子體的該第一 自由層上形成第二自由層，該第二自由層由晶體軟磁材料制成；以及(g) 通過將該支撐襯底與該第二自由層之間的層疊結構體置于磁場中， 對該釘扎層進行規(guī)則化熱處理工藝。
9、 根據(jù)權利要求8所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中在不會從該 第一自由層與該第二自由層之間的界面向該第一自由層的內(nèi)部進行結晶的 條件下，進行該步驟(g)。
10、 根據(jù)權利要求8所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中該第一 自由 層由加入選自B、 C、 Al、 Si和Zr中的至少一種元素的軟磁材料CoFe制成。
11、 根據(jù)權利要求8所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中該第一自由 層由CoFeB制成，并且B的濃度為10原子％或更高。
12、 根據(jù)權利要求8所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中該第二自由 層為具有面心立方結構的多晶體，并且沒有取向或具有取向優(yōu)選為與該支撐 襯底的表面平行的(111)面。
13、 根據(jù)權利要求8所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中該第二自由 層的矯頑力小于該第一自由層的矯頑力。
14、 一種隧道磁阻器件的制造方法，包括以下步驟(a) 在支撐襯底上形成釘扎層，該釘扎層由反鐵磁材料制成；(b) 在該釘扎層上形成被釘扎層，該被釘扎層由鐵磁材料制成，該被 釘扎層的磁化方向通過與該釘扎層的交互作用而固定；(c) 在該被釘扎層上形成勢壘層，該勢壘層具有允許電子以隧道現(xiàn)象 穿過的厚度；(d) 在該勢壘層上形成第一自由層，該第一自由層由非晶或細晶軟磁 材料制成；(e) 在該第一自由層上形成結晶抑制層；(f) 在該結晶抑制層上形成第二自由層，該第二自由層由晶體軟磁材料 制成；以及(g) 通過將該支撐襯底與該第二自由層之間的層疊結構體置于磁場中，對該釘扎層進行規(guī)則化熱處理工藝，其中，在進行該步驟(g)期間，該結晶抑制層通過延續(xù)該第二自由層 的晶體結構來抑制該第一自由層結晶。
15、 根據(jù)權利要求14所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中該第一自 由層由加入選自B、 C、 Al、 Si和Zr中的至少一種元素的軟磁材料CoFe制 成。
16、 根據(jù)權利要求14所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中該第一自 由層由CoFeB制成，并且B的濃度為10原子％或更高。
17、 根據(jù)權利要求14所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中該第二自 由層為具有面心立方結構的多晶體，并且沒有取向或具有取向優(yōu)選為與襯底 表面平行的(111)面。
18、 根據(jù)權利要求14所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中該第二自 由層的矯頑力小于該第一自由層的矯頑力。
19、 一種磁頭，包括被釘扎層，由具有固定磁化方向的鐵磁材料制成；勢壘層，設置在該被釘扎層上，并且具有允許電子以隧道現(xiàn)象穿過的厚度；第一自由層，設置在該勢壘層上，并且由在外部磁場下磁化方向發(fā)生改 變的非晶或細晶軟磁材料制成；以及第二自由層，設置在該第一自由層上，并且由在外部磁場下磁化方向發(fā) 生改變的晶體軟磁材料制成，該第二自由層與該第一自由層交互耦合。
20、 一種磁存儲器，包括 隧道磁阻器件；記錄裝置，用于向該隧道磁阻器件施加磁場以改變該隧道磁阻器件的第 一自由層和第二自由層的磁化方向；以及再現(xiàn)裝置，用于將感測電流通入該隧道磁阻器件以檢測該隧道磁阻器件 的電阻，其中該隧道磁阻器件包括被釘扎層，由具有固定磁化方向的鐵磁材料制成；勢壘層，設置在該被釘扎層上，并且具有允許電子以隧道現(xiàn)象穿過的厚度；第一自由層，設置在該勢壘層上，并且由在外部磁場下磁化方向發(fā)生改 變的非晶或細晶軟磁材料制成；以及第二自由層，設置在該第一自由層上，并且由在外部磁場下磁化方向發(fā) 生改變的晶體軟磁材料制成，該第二自由層與該第一 自由層交互耦合。
全文摘要
一種隧道磁阻器件、其制造方法、磁頭及磁存儲器，在該隧道磁阻器件中，勢壘層設置在被釘扎層上，該被釘扎層由具有固定磁化方向的鐵磁材料制成，該勢壘層具有允許電子以隧道現(xiàn)象穿過的厚度。第一自由層設置在該勢壘層上，該第一自由層由在外部磁場下磁化方向發(fā)生改變的非晶或細晶軟磁材料制成。第二自由層設置在該第一自由層上，該第二自由層由在外部磁場下磁化方向發(fā)生改變的晶體軟磁材料制成，該第二自由層與該第一自由層交互耦合。本發(fā)明提供了具有良好的磁特性并且可抑制隧道電阻變化率變低的隧道磁阻器件。
文檔編號H01L43/08GK101183704SQ200710152798
公開日2008年5月21日 申請日期2007年9月21日 優(yōu)先權日2006年11月14日
發(fā)明者佐藤雅重, 指宿隆弘, 梅原慎二郎 申請人:富士通株式會社