專利名稱：鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及到磁頭，尤其是使用所謂的鐵磁性隧道結(jié)的高靈敏度磁頭。
磁頭被廣泛使用于從聲像設(shè)備比如錄像機(jī)或者磁帶錄音機(jī)到信息處理設(shè)備比如計(jì)算機(jī)的磁存儲(chǔ)設(shè)備。尤其是在信息處理設(shè)備中，需要處理非常大量的與圖象數(shù)據(jù)或者聲音數(shù)據(jù)及其相關(guān)數(shù)據(jù)處理有關(guān)的信息，因而需要能夠以非常大的記錄密度記錄信息的大容量高速度磁存儲(chǔ)設(shè)備。
能夠被磁頭讀出的信息記錄密度，或者說分辨率極限，首先取決于磁頭的縫隙寬度和磁頭距記錄介質(zhì)的距離。在磁芯外纏繞線圈的感應(yīng)型磁頭中，當(dāng)縫隙寬度為1μm時(shí)可達(dá)到高達(dá)65兆位/平方英寸的記錄密度。另一方面，有預(yù)測(cè)說，在將來，將需要可對(duì)超過20吉位/平方英寸的記錄密度進(jìn)行讀寫的磁頭。為了達(dá)到這一點(diǎn)，最基本的是要提供一種能夠探測(cè)非常微弱的磁信號(hào)的超高靈敏度的磁傳感器，但這種超高靈敏度、超高分辨率和超高速度的磁傳感器不可能用基于電磁感應(yīng)原理工作的感應(yīng)型磁頭來實(shí)現(xiàn)。
作為能夠探測(cè)到由非常微細(xì)的磁記錄點(diǎn)產(chǎn)生的這種非常微弱的磁信號(hào)的高靈敏度磁頭，有這樣一種方案，即，在磁頭中使用一種所謂的MR(磁阻)磁傳感器或者GMR(巨磁阻)磁傳感器，前者使用一種各向異性磁阻，后者使用一種巨磁阻。


圖1以橫斷面的方式示出了一種典型的傳統(tǒng)超高分辨率讀寫磁頭10的結(jié)構(gòu)。
參圖1，該磁頭10是在通常由Al2O3·TiC或者類似物質(zhì)組成的陶瓷襯底上構(gòu)成的，該磁頭包括一個(gè)在前述襯底11上形成的下部磁屏蔽層12，以及在下部磁屏蔽層12上形成的上部磁屏蔽層14，在兩個(gè)磁屏蔽層之間夾有一層非磁性的絕緣膜13。前述上部和下部磁屏蔽層12和14在磁頭10的前緣形成了一個(gè)讀間隙15，在該讀間隙15中安裝一個(gè)磁傳感器16。
而且，在上部磁屏蔽層14上有一磁極18，在前二者之間夾有非磁性的絕緣膜17。前述磁極18和上部磁屏蔽層14一起在磁頭10的前緣形成一個(gè)寫間隙19。另外，在前述絕緣膜12的內(nèi)部有一個(gè)寫線圈結(jié)構(gòu)17。
在圖1的磁頭10中，有人提出用各種GMR磁傳感器比如自旋閥(spin-valve)磁傳感器作為前述磁傳感器16。自旋閥磁傳感器是一種含有約束層的磁傳感器，該約束層是鐵磁性材料的，比如NiFe或者Co，它與一層由FeMn、IrMn、RhMn、PtMn、PdPtMnN或類似材料構(gòu)成的反鐵磁性層相鄰。一個(gè)反鐵磁性材料比如NiFe或者Co的自由層與前述約束層交互耦合，二者間夾有一層非磁性層比如Cu層。應(yīng)注意到，前述約束層具有由前述反鐵磁性層所確定的磁化，而在外磁場(chǎng)的作用下，前述自由層可改變磁化方向。隨著前述自由層和約束層的磁化所形成的角的變化，自旋閥磁傳感器可改變其阻值。
但是，這種傳統(tǒng)的GMR磁傳感器存在一個(gè)共同的問題，這個(gè)問題與其“非磁性層與反鐵磁性層相鄰”的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，這個(gè)問題就是，對(duì)于熱處理過程，這種磁頭比較脆弱。應(yīng)當(dāng)注意到，在圖1所示的磁頭10的制造過程中，一次通常是在250到300℃之間的溫度下進(jìn)行的熱處理過程是不可避免的。
圖2A到2E示出了圖1所示的磁頭10的典型的制造過程。
參圖2A，在包括磁傳感器16的磁結(jié)構(gòu)及上部磁屏蔽層14形成之后，對(duì)應(yīng)于寫間隙19的一層薄的絕緣阻擋層形成于前述上部磁屏蔽層14之上，并進(jìn)一步在前述絕緣阻擋層之上形成一層抗蝕圖17A。
下一步，在圖2B中，在250-300℃的溫度下使圖2A所示的結(jié)構(gòu)退火，以使得前述抗蝕圖17A的豎直前緣軟熔，從而在該抗蝕圖17A的前述前緣形成一個(gè)弧形斜面。
再下一步，在圖2C中，在經(jīng)過軟熔的前述抗蝕圖17A上形成前述線圈結(jié)構(gòu)17C，并在抗蝕圖17A上形成另一個(gè)抗蝕圖17B，以掩蓋住前述線圈結(jié)構(gòu)17C。進(jìn)一步，在圖2D的步驟中，仍在250-300℃的溫度下對(duì)圖2C所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行與圖2B的步驟相似的退火處理。圖2D所示步驟的結(jié)果是使得抗蝕圖17B同樣具有與抗蝕圖17A相似的弧形斜面。
最后，在圖2E所示的步驟中，在圖2D所示的結(jié)構(gòu)上形成磁極18。
在磁傳感器16形成之后抗蝕圖17A和17B經(jīng)歷退火過程的前述圖2A-2E所示的過程中，應(yīng)當(dāng)注意到，磁傳感器經(jīng)受250-300℃的熱退火處理共兩次，即在圖2B和圖2D所示的步驟中，而我們知道，這種熱退火處理的結(jié)果，是使得GMR磁傳感器喪失大部分作為其特征的大的磁阻變化。特別地，在使用PtMn、PdPtMnN或類似物質(zhì)作為反鐵磁性層的情況下，應(yīng)當(dāng)注意到，為了晶化前述反鐵磁性層，需要在250℃或更高的溫度下進(jìn)行進(jìn)一步的熱退火處理。
另一方面，有人提出使用一種鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器作為磁頭10的磁傳感器16，其中，在一對(duì)鐵磁性層之間夾有一層隧道絕緣膜。人們希望這種鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器對(duì)微弱的磁場(chǎng)產(chǎn)生非常大的磁阻變化，甚至比自旋閥GMR傳感器更大的磁阻變化，據(jù)認(rèn)為，這種磁傳感器是一種大有前途的用于前述超高分辨率磁頭10的磁傳感器。
圖3A和3B示出了用于前述磁傳感器16的一種鐵磁性隧道結(jié)傳感器的原理。
參圖3A和3B，磁傳感器16包括一層NiFe或者Co的下部鐵磁性層16A，以及一層也是NiFe或者Co質(zhì)的上部鐵磁性層16B，在兩個(gè)鐵磁性層16A和16B之間夾有厚度為幾個(gè)納米的成分為AlOx的隧道絕緣膜。自旋方向向上和自旋方向向下的電子通過隧道絕緣膜16C以隧道電流的形式流動(dòng)，該隧道電流通常垂直于隧道絕緣膜的主表面。
在圖3A所示的狀態(tài)中，不存在顯著的外部磁場(chǎng)，可以看出，鐵磁性層16A中和鐵磁性層16B中的磁化方向是反向平行的，這是鐵磁性層16A和16B之間的交互作用的結(jié)果。相反，在圖3B所示的存在外部磁場(chǎng)H的情況下，鐵磁性層16A中和鐵磁性層16B中的磁化方向是平行的。
在這種結(jié)構(gòu)的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器中，應(yīng)當(dāng)注意到，電子隧道效應(yīng)概率隨前述上部和下部磁性層16A和16B的磁化強(qiáng)度而變化，并且，磁頭的隧道電阻R隨外部磁場(chǎng)H而變化，變化關(guān)系如下R＝Rs+(1/2)·ΔR(1-cosθ)(1)其中，Rs代表在一基準(zhǔn)態(tài)下的隧道電阻，在該基準(zhǔn)態(tài)下磁性層16A和16B中的磁化方向平行，θ代表磁性層16A和16B中的磁化方向所形成的角度，ΔR則代表隧道電阻R在前述磁化方向平行和和反平行兩種狀態(tài)之間的變化。應(yīng)當(dāng)注意到，ΔR總是取正值。由之可以確定一個(gè)隧道電阻變化比或者說MR比即ΔR/R。
從公式(1)可以推斷，當(dāng)磁性層16A中的磁化方向與磁性層16B中的磁化方向?yàn)槿鐖D3A所示的平行關(guān)系時(shí)，隧道電阻R最小。而當(dāng)磁性層16A中的磁化方向和磁性層16B中的磁化方向?yàn)槿鐖D3B所示的反向平行關(guān)系時(shí)，該隧道電阻R最大。
應(yīng)當(dāng)注意到，磁阻的這種變化是由于下述事實(shí)，即電子電流通常包括兩種電子，即自旋方向向上和向下的電子。在一個(gè)非磁體中，自旋向上和向下的電子數(shù)目通常是相等的，因此非磁體不表現(xiàn)出磁性。而在鐵磁性體中，相反，自旋向上和向下的電子數(shù)目不同，這就是鐵磁性體表現(xiàn)出磁性的原因。
當(dāng)單個(gè)電子穿過前述隧道絕緣阻擋層16C(隧道效應(yīng))從鐵磁性層16A到16B時(shí)，或者反向穿過時(shí)，在隧道效應(yīng)前后，該電子的自旋狀態(tài)不變。這還意味著，為了使電子成功地從一層鐵磁性層穿到另一層鐵磁性層，該另一層鐵磁性層需要具有與前述電子的自旋狀態(tài)相應(yīng)的空位。如果沒有前述空位，就不能發(fā)生該電子的隧道效應(yīng)。
應(yīng)當(dāng)注意到，根據(jù)下述關(guān)系式，前述隧道電阻的MR比ΔR/R是電子在源鐵磁性層16B中的自旋極化和電子在目標(biāo)鐵磁性層16A中的自旋極化的積ΔR/R＝2P1·P2/(1-P1·P1)其中，P1和P2用下式表示P1，P2＝2(NUP-NDOWN)/(NUP+NDOWN)其中，NUP表示在鐵磁性層16A或者鐵磁性層16B中向上自旋的電子數(shù)或者電子自旋方向向上的位置的數(shù)目，NDOWN表示在鐵磁性層16A或者鐵磁性層16B中向下自旋的電子數(shù)或者電子自旋方向向下的位置的數(shù)目。
自旋極化P1或者P2的值通常取決于鐵磁性材料，當(dāng)選擇合適的材料體系時(shí)，從理論上預(yù)測(cè)，可以達(dá)到高達(dá)50％的MR比。與用傳統(tǒng)的GMR傳感器相比，這個(gè)MR比的值要大得多。因此，鐵磁性隧道結(jié)傳感器被認(rèn)為是用于傳統(tǒng)分辨率磁頭的有前途的磁傳感器。例如，參看日本專利公開說明書4-103014。
與前述預(yù)測(cè)相反，在傳統(tǒng)的鐵磁性隧道結(jié)傳感器中所達(dá)到的MR比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前述理論預(yù)測(cè)。事實(shí)上，僅僅報(bào)導(dǎo)過少數(shù)幾個(gè)MR比成功地達(dá)到20％的例子(室溫環(huán)境下)。即使在這些成功的例子中，也有MR比隨時(shí)間下降的趨向，或者是，設(shè)備的耐壓太低，不足以完成對(duì)磁阻變化的可靠探測(cè)。這種不理想的結(jié)果據(jù)認(rèn)為是由于形成于鐵磁性層16A或16B與極薄的隧道絕緣膜16C之間的界面上的缺陷造成的，而這種缺陷是由于微粒的污染造成的。
實(shí)踐上通常通過下述方式來形成前述極薄的隧道絕緣膜16C，即，在前述下部磁性層16A上鍍一層Al膜，鍍膜方法為濺射鍍膜處理，膜厚度約為5nm，然后進(jìn)行氧化處理，將Al鍍層的組分轉(zhuǎn)化為AlOx(T.Miyazaki和N.Tezuka，J.Magn.Mater，139，1995，L231)。但是，這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鐵磁性隧道結(jié)具有一個(gè)缺點(diǎn)，即所獲得的MR比較小，這與被覆絕緣膜16C的前述非磁性Al鍍層具有相當(dāng)大的厚度這一事實(shí)有關(guān)。
而且，在含有作為磁傳感器16的鐵磁性隧道結(jié)傳感器，并按照?qǐng)D2A到2E所示的過程制造的傳統(tǒng)的磁頭10中，存在一個(gè)問題，這就是，前述Al鍍層可能在圖2B或者圖2D的熱退火處理中與下伏的鐵磁性層16A發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)發(fā)生這種反應(yīng)時(shí)，就在前述鐵磁性層16A中形成非磁性的固溶體，而在鐵磁性層16A中這種非磁性區(qū)域的存在將顯著降低前述MR比。因此，前述傳統(tǒng)的鐵磁性隧道結(jié)傳感器同樣地受到與傳統(tǒng)的GMR磁傳感器相似的對(duì)熱退火處理的脆弱性的問題的困擾。
圖4示出了一種結(jié)構(gòu)的磁化強(qiáng)度Ms隨熱退火溫度的變化情況。在該結(jié)構(gòu)中，厚度為10nm的Al層鍍?cè)诤穸葹?nm的Co層上。
參圖4，可以看到，隨著熱退火溫度的升高，磁化強(qiáng)度Ms就升高，這種現(xiàn)象表明，有非磁性的Al原子從Al鍍層溶入了Co層。
圖4的數(shù)據(jù)表明，在圖3A和3B所示的鐵磁性隧道結(jié)傳感器16中，當(dāng)由于熱退火處理的結(jié)果而有大量的非磁性原子從隧道絕緣膜16C溶入下伏的鐵磁性層16A時(shí)，上部鐵磁性層16A中的電子就發(fā)生隧道效應(yīng)，不顧下部鐵磁性層16B的磁化強(qiáng)度而穿到下部鐵磁性層16B中。從而使得MR比顯著降低。
為了改善鐵磁性隧道結(jié)傳感器的抗熱性能，日本專利公開說明書4-103014建議使用III到V鍵(IIIb-Vb)化合物來作為隧道絕緣膜。但是，前述現(xiàn)有技術(shù)中的鐵磁性隧道結(jié)傳感器在4.2K時(shí)僅能提供5％的MR比。
因此，本發(fā)明總的目的是提供一種消除了前述問題的新而有用的鐵磁性隧道結(jié)傳感器及其制造方法。
本發(fā)明的另一個(gè)具體的目的是提供一種對(duì)熱退火處理具有改善了的抗性、并具有大而穩(wěn)定的MR比的鐵磁性隧道結(jié)傳感器及其制造方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，它包括一個(gè)第一鐵磁性層；一個(gè)形成于前述第一鐵磁性層之上的絕緣阻擋層(insulation barrierlayer)，該絕緣阻擋當(dāng)層包括一層隧道氧化膜；和一個(gè)形成于前述絕緣阻擋層之上的第二鐵磁性層；前述絕緣阻擋層包括一個(gè)帶前述隧道氧化膜的金屬層，前述隧道氧化膜由構(gòu)成前述金屬層的金屬元素的氧化物組成；前述絕緣阻擋層的厚度約為1.7nm或更小，大于組成前述隧道氧化膜的前述氧化物的一個(gè)分子層的厚度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種磁記錄和復(fù)制設(shè)備，包括一種磁記錄介質(zhì)；一個(gè)掃描前述磁記錄介質(zhì)表面的磁頭；前述磁頭包括一個(gè)鐵磁性磁傳感器，后者包括一個(gè)第一鐵磁性層；一個(gè)形成于前述第一鐵磁性層之上的絕緣阻擋層，該絕緣阻擋層包括一層隧道氧化膜；和一個(gè)形成于前述絕緣阻擋層之上的第二鐵磁性層；前述絕緣阻擋層包括一個(gè)帶前述隧道氧化膜的金屬層，前述隧道氧化膜由構(gòu)成前述金屬層的金屬元素的氧化物組成；前述絕緣阻擋層的厚度約為1.7nm或更小，大于組成前述隧道氧化膜的前述氧化物的一個(gè)分子層的厚度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制造鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的方法，前述鐵磁性隧道結(jié)傳感器包括一個(gè)第一鐵磁性層、一個(gè)形成于前述第一鐵磁性層之上、包括一層隧道氧化膜的絕緣阻擋層，和一個(gè)形成于前述絕緣阻擋層之上的第二鐵磁性層，前述方法包括下列步驟在前述第一鐵磁性層上鍍一厚度為1.7nm或更小的金屬層，使該金屬層的厚度大于形成前述金屬層的金屬的氧化物的一個(gè)分子層的厚度；和通過氧化前述金屬層的一個(gè)表面而在前述金屬層上形成前述隧道氧化膜；和在前述金屬層的前述被氧化的表面上形成前述第二鐵磁性層。
根據(jù)本發(fā)明，通過將形成絕緣阻擋層時(shí)用作起始材料的非磁性金屬層的厚度減小到約1.7nm或者更小，絕緣阻擋層中自旋極化的破壞被有效抑制。成功抑制自旋極化的破壞，或者說在隧道效應(yīng)前后電子自旋狀態(tài)的維持的改善，其結(jié)果是使得本發(fā)明的磁傳感器表現(xiàn)出得以改善的MR比。通過使前述非磁性金屬層的厚度大于前述非磁性金屬層的氧化層的一個(gè)分子層的厚度，成功地避免了前述隧道氧化膜內(nèi)的短路問題。
對(duì)于前述非磁性層，通過使用與氧的結(jié)合能大于構(gòu)成前述下伏鐵磁性層的金屬元素與氧的結(jié)合能的金屬元素，當(dāng)在200-300℃，最好是在約300℃的溫度下進(jìn)行熱處理時(shí)，前述非磁性金屬層就從前述下伏鐵磁性層中吸收氧。從而，前述鐵磁性層中的自旋極化就進(jìn)一步得到改善，磁傳感器的MR比也進(jìn)一步得到改善。進(jìn)一步，鑒于熱退火處理所得到的性能的前述改善，本發(fā)明的磁傳感器也具有改善了的抗熱性能。這樣，即使在包含前述鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的磁頭的制造過程中進(jìn)行抗蝕膜的軟熔處理(reflowing)，本發(fā)明的磁傳感器的性能也幾乎沒有下降。而且，即使在對(duì)形成于前述上部鐵磁性層之上的反鐵磁性層進(jìn)行熱退火處理時(shí)，本發(fā)明的磁傳感器的性能也幾乎沒有下降，前述反鐵磁性層是為了約束前述上部鐵磁性層的磁化的。
通過閱讀下文結(jié)合附圖所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它目的和進(jìn)一步的特征將愈加明晰。
圖1圖解了一種傳統(tǒng)的磁頭結(jié)構(gòu)；圖2A到2E圖解了圖1中磁頭的制造過程；圖3A到3B用來解釋一種傳統(tǒng)的鐵磁性隧道結(jié)傳感器的原理；圖4是一個(gè)曲線圖，用來解釋在傳統(tǒng)的鐵磁性隧道結(jié)傳感器中發(fā)生的金屬相互擴(kuò)散的問題；圖5A和5B用來解釋本發(fā)明的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的原理；圖6是一個(gè)圖表，用來解釋本發(fā)明的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的原理；圖7是一個(gè)曲線圖，用來解釋本發(fā)明的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的原理；圖8A和8B還是曲線圖，用來解釋本發(fā)明的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的原理；圖9A和9B還是曲線圖，用來解釋本發(fā)明的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的原理；圖10還是曲線圖，用來解釋本發(fā)明的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的原理；圖11圖解了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖12是一個(gè)曲線圖，示出了圖11中的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的工作特性曲線；圖13是一個(gè)圖表，示出了在隧道氧化膜是通過等離子體氧化處理形成的情況下，圖11中的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的隧道電阻；圖14是一個(gè)圖表，示出了在進(jìn)行了熱退火處理的情況下，具有圖13中的隧道氧化膜的圖11中的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的MR比的變化；圖15圖解了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖16是一個(gè)圖表，示出了圖15中的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器所具有的擴(kuò)散障礙層的效果；圖17圖解了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖18A和18B圖解了當(dāng)對(duì)一個(gè)鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器進(jìn)行熱退火處理時(shí)所產(chǎn)生的晶粒生長及其有關(guān)問題；圖19圖解了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖20A和20B示出了圖19中的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器所達(dá)到的對(duì)晶粒生長的抑制效果；圖21圖解了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖22A和22B圖解了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖23A和23B圖解了具有使用了本發(fā)明的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的磁頭的磁記錄與復(fù)制設(shè)備的結(jié)構(gòu)。
〖原理〗圖5A和5B分別以平面圖和剖面圖示出了在本發(fā)明中用于磁傳感器或者磁頭的一個(gè)鐵磁性隧道結(jié)20。
首先參照?qǐng)D5B，鐵磁性隧道結(jié)20形成于由SiO2膜20B覆蓋的Si襯底20A上，包括一個(gè)對(duì)應(yīng)于圖3A和3B中的鐵磁性層16A的下部鐵磁性層21A，該鐵磁性層21A包括一個(gè)厚度為17.1nm的NiFe層21A1和形成于該NiFe層21A1之上、厚度為3.3nm的Co層21A2。在前述下部鐵磁性層21A上，形成了一層對(duì)應(yīng)于圖3A和3B中的絕緣阻擋層16C的絕緣阻擋層21C，并且在該絕緣阻擋層21C之上形成了一層對(duì)應(yīng)于圖3A和3B中的鐵磁性層16B的上部鐵磁性層21B，該鐵磁性層21B包括一個(gè)厚度為3.3nm的Co層21B1和形成于該Co層21B1之上、厚度為17.1nm的NiFe層21B2。另外，在前述NiFe層21B2之上形成有一層反鐵磁性層22，以約束前述上部鐵磁性層21B的磁化方向，在前述FeMn層22之上，有另一個(gè)厚度為6.6nm的NiFe層。
參圖5A的平面圖，下部鐵磁性層21A和上部鐵磁性層21B分別形成在圖5A的平面圖中相互交叉的兩個(gè)導(dǎo)電帶，其中，在前述兩個(gè)導(dǎo)電帶的交匯處形成有前述絕緣阻擋層21C。而且，其上的FeMn層22和NiFe層23的型式與下伏的上部鐵磁性層21B的形狀相吻合。
如圖5A所示，一電流源使驅(qū)動(dòng)電流在下部鐵磁性層21A和上部鐵磁性層21B之間穿過前述絕緣阻擋層21C而流動(dòng)，通過檢測(cè)鐵磁性層21A和21B之間出現(xiàn)的電壓差，可以測(cè)定絕緣阻擋層21C的隧道電阻。應(yīng)當(dāng)注意到，前述上部鐵磁性層21B中的磁化方向被反鐵磁性層22固定了，而下部鐵磁性層21A中的磁化方向隨外部磁場(chǎng)而自由變化。隨著鐵磁性層21A中的磁化方向的改變，鐵磁性隧道結(jié)20改變其電阻。
圖6示出了在前述絕緣阻擋層20C由各種厚度的Al膜構(gòu)成的情況下圖5A和5B中的鐵磁性隧道結(jié)20的MR比。前述Al膜鍍?cè)谇笆鲨F磁性層20A上，以在其上通過Al膜的自然氧化而形成隧道氧化膜。
參圖6，其上帶有自然(氧化)的Al2O3膜的Al膜21C的組成通常表示為AlOx，其中可以推知，當(dāng)Al膜21C的厚度為0.5-1.7nm時(shí)，鐵磁性隧道結(jié)20可達(dá)到約10-15％的大MR比。應(yīng)當(dāng)注意到，前述自然Al2O3膜通常是通過對(duì)Al膜21C的表面進(jìn)行持續(xù)100小時(shí)或更長時(shí)間的自然氧化處理而形成的。當(dāng)前述自然氧化處理的時(shí)間小于100小時(shí)時(shí)，由于未完全形成Al2O3膜，就有可能在Al2O2膜內(nèi)發(fā)生短路。
另一方面，當(dāng)前述Al2O3自然氧化膜的厚度超過1.7nm達(dá)到2.1nm時(shí)，前述MR比急劇下降到5％或者更低。我們認(rèn)為，這種不良效果是在電子流經(jīng)厚度增加的Al膜21C的過程中發(fā)生的自旋極化被破壞所造成的。另一方面，當(dāng)前述Al膜21C的厚度降到小于Al2O3的一個(gè)分子層厚度0.5nm時(shí)，前述自然Al2O3膜的形成就變得不穩(wěn)定，并且出現(xiàn)上面提到的隧道結(jié)有可能導(dǎo)致短路的問題。因此，從前述試驗(yàn)結(jié)果和分析可以得出這樣的結(jié)論前述絕緣阻擋層21C的厚度最好大于約0.5nm而小于約1.7nm。
應(yīng)當(dāng)注意到，圖6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明，所獲得的MR比值相當(dāng)分散。鑒于觀察到的MR值的這種分散性，本發(fā)明的發(fā)明人在真空環(huán)境中于不同的溫度下對(duì)前述鐵磁性隧道結(jié)進(jìn)行了熱退火處理，并且測(cè)量了其MR比。
圖7示出了這樣在本圖所示的不同溫度下于1×10-5乇的真空壓下被熱退火約1小時(shí)所得到的鐵磁性隧道結(jié)20的MR比。
參圖7，可以看到，當(dāng)熱退火溫度從室溫到200℃時(shí)，大多數(shù)被測(cè)試的隧道結(jié)的MR比為5-10％。另一方面，當(dāng)熱退火處理的溫度在200-300℃時(shí)，可以觀察到，一部分被測(cè)試的隧道結(jié)的MR比值升高到15-20％，而其余的MR值幾乎降至0％。
接著，對(duì)那些由于熱退火處理而MR值升高的鐵磁性隧道結(jié)被試件進(jìn)行導(dǎo)電測(cè)試，結(jié)果表明，以5mA的驅(qū)動(dòng)電流作用10天之后，故障率僅有2％。而另一方面，對(duì)那些MR值降低的鐵磁性隧道結(jié)被試件進(jìn)行同樣的導(dǎo)電測(cè)試，結(jié)果表明，10天之后的故障率達(dá)32％。前述試驗(yàn)結(jié)果意味著，前述MR比值降低的被試件在形成隧道結(jié)時(shí)就已經(jīng)存在潛在的缺陷，這樣的熱退火處理無論對(duì)加強(qiáng)鐵磁性隧道結(jié)的性能還是剔除有潛在缺陷的隧道結(jié)都很有效果。
圖8A示出了沒有經(jīng)過前述熱退火處理的鐵磁性隧道結(jié)20的磁阻變化，其中，施加的外部磁場(chǎng)為H，磁場(chǎng)強(qiáng)度從-100奧斯特變化到+100奧斯特，又從+100奧斯特變到-100奧斯特。圖中，左邊的豎直軸代表隧道結(jié)20的電阻率，右邊的豎直軸代表對(duì)應(yīng)的MR比值。應(yīng)當(dāng)注意到，圖8A中的兩條曲線分別對(duì)應(yīng)于外部磁場(chǎng)H從-100奧斯特升到+100奧斯特和從+100奧斯特降到-100奧斯特的情況。參圖8A，可以看到，沒有經(jīng)過熱退火處理的鐵磁性隧道結(jié)達(dá)到了約10-11％的MR比。
圖8B示出了在300℃下經(jīng)過了前述熱退火處理的鐵磁性隧道結(jié)20的磁阻變化。與圖8A相似，圖8B用兩條曲線分別示出了外部磁場(chǎng)H從-100奧斯特升到+100奧斯特和從+100奧斯特降到-100奧斯特兩種情況下的磁阻R。參圖8B，可以看到，現(xiàn)在的MR比達(dá)到了23-24％，二倍于圖8A情況下的MR比。
在本發(fā)明的圖7或者圖8A和8B中的試驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的MR比的提高與傳統(tǒng)上所預(yù)計(jì)的恰恰相反。我們認(rèn)為，這種意想不到的結(jié)果是由下面參照附圖9A和9B所解釋的機(jī)理所造成的。
參圖9A，構(gòu)成下部鐵磁性層21A一部分的Co層21A2通常在其表面有一層非常薄的、非磁性的鈷的自然氧化膜。這種鈷的自然氧化膜可以在通過濺射鍍膜形成Co層21A2時(shí)形成。應(yīng)當(dāng)注意到，當(dāng)用來形成具有理想形狀的前述Co層21A2的濺鍍罩被另一濺鍍罩所取代以通過進(jìn)一步的濺射鍍膜處理鍍上絕緣阻擋層21C時(shí)，前述Co的自然氧化層21A2的形成是不可避免的。
當(dāng)一層Al金屬層形成于前述Co層21A2之上作為絕緣阻擋層21C，并當(dāng)該層21C的表面被一自然氧化處理氧化而使其組成變?yōu)锳lOx時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意到，金屬Al仍然存在于層21C的底部，并與形成于下伏Co層21A2表面的自然氧化鈷直接接觸。
當(dāng)包含這種接觸結(jié)構(gòu)的鐵磁性隧道結(jié)20在200-300℃的溫度下經(jīng)過熱退火處理時(shí)，我們認(rèn)為，由于鋁氧之間的結(jié)合能大于鈷氧之間的結(jié)合能，如圖9A中的箭頭所示，自然鈷氧化膜中的氧原子被Al層21C所吸收，從而使Co層21A2中的氧原子濃度降低，如圖9B所示。與此相聯(lián)系，我們認(rèn)為層21C中的氧的濃度在該層底部有升高。當(dāng)Co層21A2中的氧濃度在其表面部分降低時(shí)，就可以成功地抑制流經(jīng)Co層21A2的自然氧化膜的電子的自旋極化被破壞的問題。據(jù)信，這就是為什么熱退火處理的結(jié)果導(dǎo)致隧道結(jié)20的MR比的提高。
為了實(shí)現(xiàn)氧原子在鐵磁性隧道結(jié)20中的這種轉(zhuǎn)移，最基本的是金屬Al要與帶自然氧化層或者一個(gè)富氧層的Co層21A2的表面直接接觸。而我們注意到，在鐵磁性隧道結(jié)20中，在絕緣阻擋層21C上有另一個(gè)Co層21B1，氧從在其上表面具有富氧組分(Al2O3)的層21向Co層21A2的轉(zhuǎn)移大體上不發(fā)生，因?yàn)殇X氧之間的結(jié)合能大于鈷氧之間的結(jié)合能。
另外，根據(jù)在圖6中的發(fā)現(xiàn)，通過在這種熱退火處理中將層21C的厚度設(shè)定為小于1.7nm，這個(gè)層21C就被氧化，由層21C中剩余的金屬Al造成的自旋極化的破壞問題就被有效地抑制。
而且，當(dāng)熱退火處理的溫度過高時(shí)，就有Al原子可能擴(kuò)散進(jìn)相鄰的Co層21A2或21B1從而在后者中形成固溶體的危險(xiǎn)。如果形成了這種鈷和鋁的固溶體，Co層21A2或21B1的磁特性就受到破壞。
〖第一個(gè)實(shí)施例〗圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器30的結(jié)構(gòu)。
參圖11，鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器30具有與前面已描述的鐵磁性隧道結(jié)20相似的結(jié)構(gòu)，其Si襯底31被厚度約為3nm的SiO2膜覆蓋，其中，磁傳感器30包括一個(gè)下部鐵磁性層30A，該層是由厚度為17.1nm的NiFe鐵磁性層32A以及一個(gè)厚度為3.3nm、形成于該NiFe鐵磁性層32A之上的Co鐵磁性層32構(gòu)成的。在前述下部鐵磁性層31A上，有一層對(duì)應(yīng)于圖5B中的絕緣阻擋層21C的絕緣阻擋層31C，并且在絕緣阻擋層30C之上形成了一層對(duì)應(yīng)于圖5B中的鐵磁性層21B的上部鐵磁性層30B，該鐵磁性層30B包括一個(gè)厚度為3.3nm的Co鐵磁性層33A和形成于該Co鐵磁性層33A之上、厚度為17.1nm的NiFe鐵磁性層33B。另外，在前述NiFe鐵磁性層33B之上形成有一層FeMn反鐵磁性層34，以約束前述上部鐵磁性層30B的磁化方向，在前述FeMn反鐵磁性層34之上，有另一個(gè)厚度為8.6nm的FeNi鐵磁性層35。
應(yīng)當(dāng)注意到，前述NiFe鐵磁性層32A與Co鐵磁性層32B是通過濺射處理在SiO2膜31A上順序形成的，而絕緣阻擋層30C則是通過濺射處理在前述Co鐵磁性層32B上鍍一層金屬Al層，而后通過一自然氧化處理將這樣得到的金屬Al層的表面氧化100小時(shí)或更長時(shí)間而形成的。前述金屬Al層自然氧化處理的結(jié)果是，在前述絕緣阻擋層30C的表面部分形成了一個(gè)Al2O3隧道氧化膜。
在形成前述絕緣阻擋層30C之后，通過濺射處理在層30C上順序鍍上Co鐵磁性層33A與NiFe鐵磁性層33B，以形成上部鐵磁性層30B。通過在濺射處理時(shí)使用合適的濺鍍罩，可以使磁傳感器30形成任意的平面形狀，比如圖5A的平面圖所示的形狀。
應(yīng)當(dāng)注意到，在NiFe層32A或者33B上有Co層33A或者32B，用來改善通過鐵磁性層30A或30B并進(jìn)入絕緣阻擋層30C的電子的自旋極化。當(dāng)形成下部鐵磁性層30A時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意到，磁性層32A和32B的濺射處理是在存在一個(gè)外部磁場(chǎng)的條件下進(jìn)行的，該磁場(chǎng)垂直作用于圖11的圖平面。另外，磁性層33A和33B的濺射處理也是在存在一個(gè)外部磁場(chǎng)的條件下進(jìn)行的，該磁場(chǎng)在圖11的圖平面內(nèi)為從左到右或者從右到左。
如參照?qǐng)D8A所說明的那樣，這樣形成的圖11中的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器30的MR比在剛剛形成時(shí)超過10％。另一方面，如參照?qǐng)D8B所說明的那樣，通過在200-300℃的溫度下于真空環(huán)境中對(duì)剛形成的磁傳感器30進(jìn)行熱退火處理，前述MR比可以升高到20％或更高。
當(dāng)在200-300℃的溫度下對(duì)磁傳感器30進(jìn)行了熱退火處理之后，除了前述的提高M(jìn)R比的優(yōu)點(diǎn)之外，還可以使用PdPtMn合金取代FeMn作為反鐵磁性層34。盡管在約200℃或更低的溫度下進(jìn)行熱退火處理時(shí)PdPtMn合金不能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)使鐵磁性層33A和33B得到理想的約束，但在約300℃或更高的溫度下進(jìn)行的熱退火處理卻可以成功地導(dǎo)致在合金晶體結(jié)構(gòu)中形成CuAu I型有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，這樣形成的有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)度達(dá)200奧斯特的約束磁場(chǎng)，足以約束前述鐵磁性層33A和33B。前述有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的形成可用X射線衍射分析來予以確認(rèn)。應(yīng)當(dāng)注意到，長期以來，因?yàn)槠洚a(chǎn)生適于交互耦合的強(qiáng)磁場(chǎng)的潛力，PdPtMn系合金就被認(rèn)為是在現(xiàn)有技術(shù)的自旋閥GMR磁傳感器中用作約束層的理想材料，但由于必需在至少300℃的溫度下進(jìn)行熱退火處理，這種理想材料在傳統(tǒng)的GMR磁傳感器中的應(yīng)用一直不成功。在本實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器中，這種理想材料的使用毫無問題，因?yàn)樗哂懈纳屏说目篃嵝阅?，足以抵抗在超過300℃的溫度下進(jìn)行的熱退火處理。
圖12示出了本發(fā)明的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器30的磁探測(cè)性能。
參圖12，可以看到，外部磁場(chǎng)變動(dòng)±60奧斯特時(shí)，磁傳感器30能夠產(chǎn)生高達(dá)2mV的電壓輸出。
同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意到，在絕緣阻擋層30C上形成的前述隧道氧化膜決不限于Al的自然氧化膜，還包括用等離子體氧化處理形成的等離子體氧化膜。
圖13示出了在通過等離子體氧化處理在前述下伏Al層的表面上形成Al2O3隧道氧化膜的情況下，前述絕緣阻擋層30C的電阻率。
參圖13，可以看到，當(dāng)?shù)入x子體氧化處理持續(xù)時(shí)間在約60秒之內(nèi)時(shí)，前述隧道氧化膜的厚度就可以允許一顯著的隧道電流從中流過。另一方面，當(dāng)?shù)入x子體氧化處理的時(shí)間被繼續(xù)延長時(shí)，前述隧道氧化膜的厚度就太大，隧道電阻就有有害的增加。
圖14示出了在用等離子體氧化處理形成前述Al2O3隧道氧化膜的情況下，等離子體氧化處理持續(xù)時(shí)間與MR比之間的關(guān)系。
參圖14，可以看出，當(dāng)未進(jìn)行熱退火處理而且等離子體氧化處理時(shí)間約為40秒時(shí)，磁傳感器30的MR比變?yōu)?0-15％。另一方面，當(dāng)?shù)入x子體氧化處理進(jìn)行120秒時(shí)，MR比就降到了1-7％。而在經(jīng)過300℃的熱退火處理后，當(dāng)?shù)入x子體氧化處理進(jìn)行40秒時(shí)，MR比可以增加到20-25％。隨著等離子體氧化處理時(shí)間的延長，磁傳感器30的MR比就急劇降低，如果等離子體氧化處理超過60秒，MR比將降至僅1-5％。
圖14的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)?shù)入x子體氧化處理時(shí)間很長，超過40秒時(shí)，形成前述絕緣阻擋層30C的整個(gè)Al層都被氧化；數(shù)據(jù)還表明，在高溫比如約300℃下進(jìn)行前述熱退火處理后的結(jié)果，是使得氧原子從絕緣阻擋層30C透入下伏的Co鐵磁性層32B。另一方面，當(dāng)?shù)入x子體氧化處理限制在約40秒之內(nèi)時(shí)，據(jù)信在絕緣阻擋層30C的底部還保留有相當(dāng)多的金屬Al層，如果進(jìn)行前述熱退火處理，氧原子的轉(zhuǎn)移就是從Co鐵磁性層32B的表面區(qū)域到絕緣阻擋層30C中尚存的金屬Al層。〖第二實(shí)施例〗如同已參照?qǐng)D9A和9B所解釋的，下部鐵磁性層的磁性被破壞的問題，尤其是該下部鐵磁性層的自旋極化被破壞的問題，是由于在該下部鐵磁性層的表明存在氧化物造成的，通過對(duì)鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器進(jìn)行熱退火處理，這個(gè)問題被成功地抵消，只要在前述絕緣阻擋層的底部仍存在金屬Al層。
另一方面，這還意味著，在前述下部鐵磁性層和前述絕緣阻擋層之間可以夾有一薄層氧化膜，條件是前述絕緣阻擋層在其底部含有金屬Al層。應(yīng)當(dāng)注意到，這樣的薄層氧化膜可以用作擴(kuò)散障礙層，來阻止絕緣阻擋層中的Al和前述下部鐵磁性層中Co的相互擴(kuò)散。當(dāng)這種擴(kuò)散障礙層的使用成為可能時(shí)，本發(fā)明的鐵磁性隧道結(jié)傳感器的制造就得到了相當(dāng)?shù)暮喕?br> 圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器40的結(jié)構(gòu)。
參圖15，本實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器40具有與前一實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)30相似的結(jié)構(gòu)，其Si襯底41被一SiO2膜(圖中未示出)覆蓋，其中，磁傳感器40包括一個(gè)下部鐵磁性層40A，該層是由厚度為17.1nm的NiFe鐵磁性層42A以及一個(gè)厚度為3.3nm、形成于該NiFe鐵磁性層42A之上的Co鐵磁性層42B構(gòu)成的。在前述Co鐵磁性層42B上，形成有一個(gè)Co氧化物的擴(kuò)散障礙層42C，在該擴(kuò)散障礙層42C上有一層對(duì)應(yīng)于圖11中的絕緣阻擋層30C的絕緣阻擋層40C。另外，在絕緣阻擋層40C之上形成了一層對(duì)應(yīng)于圖11中的鐵磁性層30B的上部鐵磁性層40B，該上部鐵磁性層40B包括一個(gè)厚度為3.3nm的Co鐵磁性層43A和形成于該Co鐵磁性層43A之上、厚度為17.1nm的NiFe鐵磁性層43B。另外，在前述FeNi鐵磁性層43B之上形成有一層FeMn反鐵磁性層44，以約束前述上部鐵磁性層40B的磁化方向，在前述FeMn反鐵磁性層44之上，有另一個(gè)厚度為8.6nm的FeNi鐵磁性層45。
同樣，在本實(shí)施例中，前述NiFe鐵磁性層42A與Co鐵磁性層42B，或者NiFe鐵磁性層43A與Co鐵磁性層43B，都是通過濺射處理形成的，而絕緣阻擋層40C則是通過濺射處理鍍一層厚度約為1.3nm的金屬Al層，而后類似于前一實(shí)施例對(duì)該金屬Al層進(jìn)行自然氧化處理或等離子體氧化處理而形成的。前述金屬Al層自然氧化處理的結(jié)果，是在前述絕緣阻擋層40C的表面部分形成了一層Al2O3隧道氧化膜。
另外，構(gòu)成前述擴(kuò)散障礙層的Co氧化膜42C也是通過對(duì)前述Co鐵磁性層42B的表面進(jìn)行任何自然氧化處理、熱氧化處理或者等離子體氧化處理而形成的。當(dāng)通過自然氧化處理形成該擴(kuò)散障礙層時(shí)，可以將前述Co層的表面暴露在氧氣中約1小時(shí)。這樣形成的Co氧化膜并不限于具有理想配比成分、化學(xué)式為CoO的氧化物，還包括具有非理想配比成分、化學(xué)通式為CoOx的化合物。
在形成前述絕緣阻擋層40C之后，通過濺射處理在層40C上順序鍍上Co鐵磁性層43A與NiFe鐵磁性層43B，以形成上部鐵磁性層40B，并在NiFe鐵磁性層43B上順序鍍上FeMn反鐵磁性層44與NiFe鐵磁性層45。通過在濺射處理時(shí)使用合適的濺鍍罩，可以使磁傳感器40形成任意的平面形狀，比如圖5A的平面圖所示的形狀。
應(yīng)當(dāng)注意到，在NiFe層42A或者43B上有Co層43A或者42B，用來改善通過鐵磁性層40A或40B并進(jìn)入絕緣阻擋層40C的電子的自旋極化。當(dāng)形成下部鐵磁性層40A時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意到，磁性層42A和42B的濺射處理是在存在一個(gè)外部磁場(chǎng)的條件下進(jìn)行的，該磁場(chǎng)垂直作用于圖15的圖平面。另外，為形成上部鐵磁性層40B，磁性層43A和43B的濺射處理也是在存在一個(gè)外部磁場(chǎng)的條件下進(jìn)行的，該磁場(chǎng)在圖15的圖平面內(nèi)為從左到右或者從右到左。
在本實(shí)施例的磁傳感器40中，通過在Co層42B的表面上形成一個(gè)Co氧化物擴(kuò)散障礙層40C，有效地避免了Co層42B和包含在絕緣阻擋層40C中的金屬Al層之間的Al原子和Co原子的相互擴(kuò)散問題。因此，磁傳感器40的產(chǎn)品合格率被大大提高了，尤其是當(dāng)磁傳感器40的制造工序包括前述熱退火處理時(shí)。
圖16示出了其表面具有一Al層的Co層中的磁化強(qiáng)度Ms，通過自然氧化處理，該Co層表面與Al層之間形成有一個(gè)Co氧化膜夾層。該圖所示的情形，是在50-350℃的溫度范圍內(nèi)對(duì)前述結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理后的情況。
參圖16，可以清楚地看到，即使對(duì)前述結(jié)構(gòu)進(jìn)行了前述熱退火處理，Co層的磁化強(qiáng)度Ms也只有少許變化。還可以看出，如圖4所示情況下的Co原子和Al原子的相互擴(kuò)散問題得以成功地避免，在圖4中，Co層和Al層是直接接觸的。
在圖15所示的結(jié)構(gòu)中，鑒于磁傳感器40的結(jié)構(gòu)特征，即在鐵磁性層42B和鐵磁性層43A之間向絕緣阻擋層40C繼續(xù)加進(jìn)了一個(gè)CoO層42C這樣的結(jié)構(gòu)特征，由于加進(jìn)非磁性的CoO層42C的結(jié)構(gòu)，電子的自旋極化有可能下降。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，磁傳感器40的MR比就會(huì)產(chǎn)生不希望有的降低。為了避免這種問題，本實(shí)施例的磁傳感器40將用來形成絕緣阻擋層40C的Al層的厚度限定在小于約1.7nm，最好是小于約1.3nm的范圍內(nèi)。
還可以預(yù)計(jì)，由于已參照?qǐng)D9A和9B或者圖14解釋的氧向金屬Al層的轉(zhuǎn)移的結(jié)果，在實(shí)施了熱退火處理后，如前述加進(jìn)圖15的結(jié)構(gòu)中的CoO層42C的厚度將下降，或者完全消失。當(dāng)CoO層42C的這種厚度的減小或者完全消失發(fā)生時(shí)，如參照?qǐng)D14所作的解釋那樣的MR比的升高而不是降低同樣可以在圖15的磁傳感器中觀測(cè)到。事實(shí)上，對(duì)于在CoO層21A2上形成自然氧化膜的結(jié)構(gòu)，可以獲得前面所解釋的圖7中的關(guān)系，前述自然氧化膜對(duì)應(yīng)于圖15中的膜42C，是在更換濺鍍罩時(shí)CoO層21A2暴露于空氣中的結(jié)果。
這樣，圖15中的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器40通過在Co層42B上形成CoO膜42C，就能夠抑制絕緣阻擋層40C和下伏Co層42B之間Al、Co的相互擴(kuò)散，同時(shí)使其MR比值最大。前述CoO膜42C的形成是通過在200-300℃的溫度下進(jìn)行熱退火處理而實(shí)現(xiàn)的?！嫉谌龑?shí)施例〗圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器50的結(jié)構(gòu)。其中，對(duì)應(yīng)于前面已描述部分的部分標(biāo)以同樣的編號(hào)，并省略其描述。
參圖17，本發(fā)明用一系列絕緣阻擋層40Ca-40Cc取代了絕緣阻擋層40C，其中，每一絕緣阻擋層都是通過鍍Al膜并氧化而形成的，厚度不大于0.4nm，化學(xué)組成為AlOx。
在本實(shí)施例中，通過以多層40Ca-40Cc構(gòu)成層40C，絕緣阻擋層40C的內(nèi)部變?yōu)锳lOx。從而成功地減少了由于在絕緣阻擋層40C內(nèi)部仍存在金屬Al層而造成的自旋極化下降的問題。
應(yīng)當(dāng)注意到，前述絕緣阻擋層40Ca-40Cc并不必需具有同樣的化學(xué)組成，而可以分別具有不同的組成。例如，層40Ca和40Cc可以由AlOx組成，而層40Cb可以由NbOx組成。另外，層40Ca-40Cc的數(shù)目也不限于三層，而可以是兩層或四層或者更多層。〖第四實(shí)施例〗在圖15的鐵磁性隧道結(jié)傳感器中，最好在200-300℃的溫度下進(jìn)行一次熱退火處理。另一方面，這種熱退火處理可能導(dǎo)致在夾有示于圖18A中的插入絕緣阻擋層40C的鐵磁性層42和43中的晶粒生長，從而使得圖18A的結(jié)構(gòu)在經(jīng)過熱退火處理后可能變成一種示于圖18B中的粗晶結(jié)構(gòu)。在圖18B所示的粗晶結(jié)構(gòu)中，應(yīng)當(dāng)注意，層42中的粗晶粒有可能與層43中的一個(gè)粗晶粒相接觸，從而導(dǎo)致隧道結(jié)中的短路。我們認(rèn)為，這是參照?qǐng)D7的熱退火處理所說明的缺陷的可能原因之一。
在本實(shí)施例中，提出了一種消除了前述問題的如圖19所示的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器60。在圖19中，應(yīng)當(dāng)注意，那些與前面已描述部分相對(duì)應(yīng)的部分以同樣的編號(hào)標(biāo)出，并省略其描述。
參圖19，圖15中的鐵磁性層42A和43B分別被層42A′和43B′所取代，其中，在層42A′和43B′的每一層中，厚度約為2nm的NiFe層和厚度約為2nm的Fe層交替疊置。在圖示的例子中，在層42A′和43B′的每一層中，NiFe層和Fe層重復(fù)了五次。
在這種分層結(jié)構(gòu)中，晶粒生長被有效抑制，分別如圖20A和圖20B所示，它們分別表示了熱退火處理前后的狀態(tài)。參照?qǐng)D18B所描述的隧道結(jié)內(nèi)的短路問題被成功地消除了。由于這種層42A′和43A′的堆疊結(jié)構(gòu)，即使在磁傳感器的制造工序中包括在200-300℃下的熱退火處理，鐵磁性隧道結(jié)傳感器60的合格率也可以提高?！嫉谖鍖?shí)施例〗圖21示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器70的結(jié)構(gòu)，其中，那些與前面已描述部分相對(duì)應(yīng)的部分以同樣的編號(hào)標(biāo)出，并省略其描述。
參圖21，磁傳感器70具有與圖19中的磁傳感器60相似的結(jié)構(gòu)，只是前面所描述的具有NiFe/Ni堆疊結(jié)構(gòu)的鐵磁性層43B′現(xiàn)在被具有Co/Cu堆疊結(jié)構(gòu)的鐵磁性層40B″所取代了，在后一堆疊結(jié)構(gòu)中，厚度約為1.5nm的Co層和厚度約為1.0nm的Cu層交替疊置。
在具有這種堆疊結(jié)構(gòu)的鐵磁性層40B″中，應(yīng)當(dāng)注意，在鐵磁性Co層和非磁性Cu之間，產(chǎn)生了一種反鐵磁性交互作用。從而，層43B″中的磁化方向就被與其相鄰的反鐵磁性層44所固定，而層43B″又決定了下面的Co鐵磁性層43A中的磁化方向。通過形成具有前述堆疊結(jié)構(gòu)的鐵磁性層40B″，即使對(duì)磁傳感器進(jìn)行了熱退火處理，也可以成功地抑制層40B″中的晶粒生長(類似于前面參照?qǐng)D20A和20B所述的晶粒生長)，從而避免隧道結(jié)中的短路問題?！嫉诹鶎?shí)施例〗圖22A和22B分別以平面圖和前視圖的方式示出了根據(jù)本發(fā)明第五種實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器80的結(jié)構(gòu)。
參圖22A和22B，鐵磁性隧道結(jié)傳感器80是在Al2O3·TiC襯底81上構(gòu)成的，包括一個(gè)對(duì)應(yīng)于圖1中磁頭10的下部磁屏蔽層12的NiFe或FeN下部磁屏蔽層82，其中，對(duì)應(yīng)于圖1中磁頭10的非磁性層13，在前述下部磁屏蔽層82上有一間隙層83。在該Al2O3間隙層83上有一個(gè)下部鐵磁性層84，其模寬(pattern width)WL約為0.8μm。應(yīng)當(dāng)注意到，該下部鐵磁性層84對(duì)應(yīng)于圖11中的鐵磁性層30A或者圖15中的鐵磁性層40A，在前述鐵磁性層84的兩個(gè)側(cè)面，均形成有CoCrPt反鐵磁性層85A和85B，并與層84電接觸。反鐵磁性層85A和85B被磁化，并磁化插在其中的鐵磁性層84，以使得鐵磁性層84只含有單個(gè)磁疇。
在反鐵磁性層85A和85B上，分別形成有Ta、Ti、Cu或者W的電極結(jié)構(gòu)86A和86B，并提供了一個(gè)對(duì)應(yīng)于前述實(shí)施例中的絕緣阻擋層30C或40C的絕緣阻擋層87，以便覆蓋住前述電極結(jié)構(gòu)86A和86B以及前述下部鐵磁性層84。另外，對(duì)應(yīng)于前述上部鐵磁性層30B或40B，在絕緣阻擋層87之上有一個(gè)上部鐵磁性層88，其寬度WH通常約為0.5μm，在該上部鐵磁性層88上，還有一個(gè)Ta、Ti、Cu或者W的上部電極89。
另外，在絕緣阻擋層87上鍍有一層Al2O3層90，以覆蓋住前述上部鐵磁性層88和89，在其上，還有一層NiFe磁屏蔽層91，對(duì)應(yīng)于圖1中的上部磁屏蔽層14。
如圖22A所示，裝在一個(gè)磁頭中的磁傳感器80掃描一種磁記錄介質(zhì)100比如磁盤的表面，讀出以磁點(diǎn)形式記錄在該磁記錄介質(zhì)100上的信息信號(hào)。在這種磁頭的讀方式操作中，連續(xù)的驅(qū)動(dòng)電流從電極86A流向上部電極89或反之，從而可以檢到在電極89和電極86B間產(chǎn)生的電壓?；蛘咴诹硪环N情況下，可以檢測(cè)到電極89和電極86A間產(chǎn)生的電壓。
應(yīng)當(dāng)注意到，在圖22B沿A-A′線的剖面中，磁傳感器80可以具有第一到第五實(shí)施例中的任何實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)。〖第七實(shí)施例〗圖23A以平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中，虛線的左邊示出了上蓋未打開的硬盤驅(qū)動(dòng)器，虛線的右邊示出了一個(gè)磁盤111的結(jié)構(gòu)和與該磁盤配合的臂組件112，其中，磁盤111和臂組件112構(gòu)成磁盤裝置110的一部分，在該磁盤裝置110中，有一系列的磁盤疊在一起。
參圖23A，每一磁盤111都安裝在一個(gè)軸111a上，該軸由一圖中未示出的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，前述臂組件112包括一個(gè)裝在擺軸112a上的擺臂112b，其自由端裝有一個(gè)磁頭112c。另外，構(gòu)成音圈馬達(dá)113一部分的一個(gè)線圈112d被裝在臂112b與前面安裝磁頭112c的第一自由端相對(duì)的另一自由端上，其中，線圈112d的纏繞平行于臂112b的掃描面。還有，構(gòu)成前述音圈馬達(dá)113另一部分的磁鐵113a和113b分別安裝在線圈112d的上面和下面。這樣，在線圈112d中的能量作用下，臂112就可以繞擺軸112a自由轉(zhuǎn)動(dòng)。前述音圈馬達(dá)113由這樣的伺服控制機(jī)構(gòu)控制，以使得帶在臂112b上的磁頭112c能夠正確地尋找磁道柱面或者磁盤111上的磁道111b。
圖23B是一個(gè)透視圖，示出了圖23A中的硬盤驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
參圖23B，磁盤裝置110包括一系列磁盤1111、1112……，它們都安裝在旋轉(zhuǎn)軸111a上，臂組件112也包括一系列與各個(gè)磁盤對(duì)應(yīng)的臂。每一個(gè)臂112b都安裝在一個(gè)公共旋轉(zhuǎn)件112e上，后者又可旋轉(zhuǎn)地安裝在擺軸112a上，從而，隨著旋轉(zhuǎn)件112e的轉(zhuǎn)動(dòng)，所有的臂112b都同時(shí)擺動(dòng)。當(dāng)然，旋轉(zhuǎn)件112e是由音圈馬達(dá)113的能量驅(qū)動(dòng)的。另外，前述硬盤設(shè)備的整個(gè)結(jié)構(gòu)都放置在一個(gè)密封罩100A中。
通過使用第一到第六實(shí)施例中任何實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器來作為磁頭112c的讀磁頭，硬盤驅(qū)動(dòng)器能夠進(jìn)行信息的超高密度記錄和復(fù)制。
在任何前述實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)注意到，用來構(gòu)成絕緣阻擋層的金屬?zèng)Q不限于Al，任何金屬元素，比如Nb、Hf或者Zr都可以使用。
另外，本發(fā)明不限于前面所描述的實(shí)施例，可以作出不同的調(diào)整和改進(jìn)而并不超出本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，它包括一個(gè)第一鐵磁性層(21A，30A)；一個(gè)形成于前述第一鐵磁性層之上的絕緣阻擋層(21C，30C)，該絕緣阻擋層包括一個(gè)隧道氧化膜；一個(gè)形成于前述絕緣阻擋層之上的第二鐵磁性層(21B，30B)；前述絕緣阻擋層包括一個(gè)帶前述隧道氧化膜的金屬層，前述隧道氧化膜由構(gòu)成前述金屬層的金屬元素的氧化物組成；其特征在于，前述絕緣阻擋層的厚度約為1.7nm或更小，大于組成前述隧道氧化膜的前述氧化物的一個(gè)分子層的厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，前述金屬元素從Al、Hf、Zr和Nb中選取。
3.如權(quán)利要求1所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，前述隧道氧化膜是前述金屬層的自然氧化膜。
4.如權(quán)利要求1所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，前述隧道氧化膜是前述金屬層的等離子體氧化膜。
5.如權(quán)利要求1所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，前述金屬層含有氧，氧的濃度在金屬層內(nèi)向與前述第一鐵磁性層的界面方向增加。
6.如權(quán)利要求1所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，前述金屬元素與氧的結(jié)合能大于構(gòu)成任何前述第一和第二鐵磁性層的金屬元素與氧的結(jié)合能。
7.如權(quán)利要求1所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，它還包括在前述絕緣阻擋層(40C)和前述第一鐵磁性層(40A)之間的一個(gè)擴(kuò)散障礙層(42C)，其厚度允許一個(gè)相當(dāng)大的隧道電流從中流過。
8.如權(quán)利要求7所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，前述擴(kuò)散障礙層(42C)是一層形成于前述第一鐵磁性層的一個(gè)表面上的氧化膜。
9.如權(quán)利要求1所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，前述絕緣阻擋層包括一系列金屬層(40Ca-40Cc)和一系列相應(yīng)的隧道氧化膜，前述相互鄰接的金屬層是由不同的金屬元素組成的。
10.如權(quán)利要求1所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，前述第一和第二鐵磁性層(42A′，43B′)中的至少一層包括一系列堆疊的磁性層，且這些相互鄰接的磁性層具有不同的成分。
11.如權(quán)利要求1所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，它還包括一層反鐵磁性層(22，34，44)，與前述第一和第二鐵磁性層之一相鄰接。
12.如權(quán)利要求11所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，前述反鐵磁性層(22，34，44)包括從Pd、Pt、Mn、Ir和Rh中選取的至少兩種元素。
13.如權(quán)利要求11所述的鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器，其特征在于，前述反鐵磁性層(22，34，44)具有一種結(jié)晶的有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
14.一種磁頭，它包括一種鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器(20，30，40，50，60，70，80)，前述鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器包括一個(gè)第一鐵磁性層(21A，30A，40A)；一個(gè)形成于前述第一鐵磁性層之上的絕緣阻擋層(21C，30C，40C)，該絕緣阻擋層包括一個(gè)隧道氧化膜；和一個(gè)形成于前述絕緣阻擋層之上的第二鐵磁性層(21B，30B，40B)；前述絕緣阻擋層包括一個(gè)帶前述隧道氧化膜的金屬層，前述隧道氧化膜由構(gòu)成前述金屬層的金屬元素的氧化物組成；其特征在于，前述絕緣阻擋層的厚度約為1.7nm或更小，大于組成前述隧道氧化膜的前述氧化物的一個(gè)分子層的厚度。
15.一種磁記錄和復(fù)制設(shè)備，包括一種磁記錄介質(zhì)(110)；一個(gè)掃描前述磁記錄介質(zhì)的一個(gè)表面的磁頭(112c)；前述磁頭包括一個(gè)鐵磁性磁傳感器，后者包括一個(gè)第一鐵磁性層(21A，30A，40A)；一個(gè)形成于前述第一鐵磁性層之上的絕緣阻擋層(21C，30C，40C)，該絕緣阻擋層包括一層隧道氧化膜；和一個(gè)形成于前述絕緣阻擋層之上的第二鐵磁性層(21B，30B，40B)；前述絕緣阻擋層包括一個(gè)帶前述隧道氧化膜的金屬層，前述隧道氧化膜由構(gòu)成前述金屬層的金屬元素的氧化物組成；其特征在于，前述絕緣阻擋層的厚度約為1.7nm或更小，大于組成前述隧道氧化膜的前述氧化物的一個(gè)分子層的厚度。
16.一種制造鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器的方法，前述鐵磁性隧道結(jié)傳感器包括一個(gè)第一鐵磁性層，一個(gè)形成于前述第一鐵磁性層之上、包括一層隧道氧化膜的絕緣阻擋層，和一個(gè)形成于前述絕緣阻擋層之上的第二鐵磁性層，其特征在于下列步驟在前述第一鐵磁性層(21A，30A，40A)上鍍一厚度為1.7nm或更小的金屬層(21C，30C，40C)，使該金屬層的厚度大于形成前述金屬層的金屬的氧化物的一個(gè)分子層的厚度；和通過氧化前述金屬層的一個(gè)表面而在前述金屬層上形成前述隧道氧化膜；和在前述金屬層的前述被氧化的表面上形成前述第二鐵磁性層(21B，30B，40B)。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，前述金屬層的前述表面的前述氧化步驟這樣進(jìn)行，使得在前述隧道氧化膜下仍保留有前述金屬層，并且，在前述金屬層的前述表面的前述氧化步驟之后，前述方法還包括下面的步驟在約200-300℃的溫度下將前述金屬層退火。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，前述退火步驟在約300℃的溫度下進(jìn)行。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，前述退火步驟在真空環(huán)境下進(jìn)行。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，形成前述隧道氧化膜的前述步驟包括前述金屬層的前述表面的自然氧化步驟。
21.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，形成前述隧道氧化膜的前述步驟包括前述金屬層的前述表面的等離子體氧化步驟。
22.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，它還包括下列步驟在形成前述金屬層之前，在前述第一鐵磁性層的一個(gè)表面上形成一層氧化膜，其厚度使得電子可發(fā)生顯著的隧道效應(yīng)，穿過該氧化膜。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，前述氧化膜是用等離子體處理形成的。
全文摘要
一種鐵磁性隧道結(jié)磁傳感器,它包括一個(gè)第一鐵磁性層,一個(gè)形成于前述第一鐵磁性層之上的并在其中包括一層隧道氧化膜的絕緣阻擋層和一個(gè)形成于前述絕緣阻擋層之上的第二鐵磁性層,其中,前述絕緣阻擋層包括一個(gè)帶前述隧道氧化膜的金屬層,前述隧道氧化膜由構(gòu)成前述金屬層的金屬元素的氧化物組成,并且,該絕緣阻擋層的厚度約為1.7nm或更小,但大于組成前述隧道氧化膜的前述氧化物的一個(gè)分子層的厚度。
文檔編號(hào)H01L43/08GK1194430SQ9810589
公開日1998年9月30日 申請(qǐng)日期1998年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月26日
發(fā)明者佐藤雅重, 小林和雄, 菊地英幸 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社