專利名稱：隧道結(jié)結(jié)構(gòu)及其制造方法和磁敏傳感器的制作方法
本申請(qǐng)以1997年10月1日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)平9-268998為基礎(chǔ)，這里引入其整個(gè)內(nèi)容作為參考。
本發(fā)明涉及一種隧道結(jié)結(jié)構(gòu)、其制造方法及具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的磁敏傳感器。
在依次層疊有金屬層、絕緣層和金屬層的層疊結(jié)構(gòu)中，如果絕緣層的厚度足夠薄(幾埃至幾十埃)，在金屬層兩邊加電壓時(shí)，產(chǎn)生隧道電流。這種結(jié)稱為隧道結(jié)。一般情況下用金屬氧化物膜作絕緣膜。例如，通過自然氧化、等離子氧化、熱氧化等過程氧化鋁層的表面層，從而形成氧化鋁薄膜。通過控制氧化條件，氧化鋁薄膜的厚度可以制作成幾埃至幾十埃。
兩邊具有由鐵磁性材料構(gòu)成的金屬層的隧道結(jié)稱為鐵磁性隧道結(jié)。鐵磁性隧道結(jié)的隧穿幾率(隧道電阻)取決于兩邊的磁性層的磁化狀態(tài)。因此，如果磁性層的磁化狀態(tài)因加了外磁場而發(fā)生變化，則可以控制隧道電阻。換言之，可以根據(jù)隧道電阻的變化檢測到外加磁場的變化。
隧道電阻R由以下方程給出R=Rs+(1/2)ΔR(1-cosθ)…(1)其中θ為兩邊磁性層的磁化方向間的夾角。Rs為角θ等于0°時(shí)即兩邊磁性層的磁化方向彼此平行時(shí)的隧道電阻。ΔR為兩磁性層的磁化方向彼此平行時(shí)與反向平行時(shí)的隧道電阻間的差值。
從方程(1)可知，隧道電阻R在兩磁性層的磁化方向彼此平行時(shí)變?yōu)樽钚?，而在兩磁性層的磁化方向反向平行時(shí)變得最大。這是鐵磁性材料中的電子自旋極化造成的。一般情況下，電子取上旋態(tài)或下旋態(tài)。上旋態(tài)的電子稱為上旋電子，下旋態(tài)的電子稱為下旋電子。
非磁性材料中，上旋電子的數(shù)量一般等于下旋電子的數(shù)量。因此，非磁性材料作為一個(gè)整體沒有磁化。相反，鐵磁性材料中，上旋電子與下旋電子的數(shù)量不同，因此，鐵磁性材料作為一個(gè)整體存在著向上或向下的磁化。
眾所周知，每個(gè)電子因隧穿現(xiàn)象運(yùn)動(dòng)，但同時(shí)保持其自旋態(tài)。這種情況下，只有在目標(biāo)磁性層中存在著對(duì)應(yīng)于電子自旋態(tài)的空能級(jí)時(shí)電子才會(huì)發(fā)生隧穿，因此在不存在這種空能級(jí)時(shí)電子不會(huì)發(fā)生隧穿。
隧道電阻的變化率ΔR/Rs可以由電子源的極化因子和目標(biāo)空能級(jí)的極化因子的乘積導(dǎo)出，如下所示ΔR/Rs=2P1P2(1-P1P2)…(2)其中P1是電子源中電子的自旋極化因子，P2是隧道目標(biāo)磁性層的空能級(jí)的自旋極化因子。P1和P2表示為P1,P2=2(Nup-Ndown)/(Nup+Ndown)其中Nup為上旋電子數(shù)或上旋電子的能級(jí)數(shù)，Ndown為下旋電子數(shù)或下旋電子的能級(jí)數(shù)。
極化因子P1和P2隨鐵磁性材料的類型而不同，一些材料取接近50％的極化因子。這種情況下，可得到比各向異性磁阻效應(yīng)和巨磁阻效應(yīng)的電阻變化率大百分之幾十的電阻變化率。
一般用金屬氧化物作鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的絕緣膜。這種金屬氧化物按以下方法形成，淀積金屬層，并通過自然氧化、等離子氧化、熱氧化等過程氧化其表面。然而，該絕緣膜形成方法可能只氧化金屬層的表面，而在最深區(qū)域中留下非氧化金屬層。
在后高溫工藝中，非氧化金屬層可能會(huì)與磁性層反應(yīng)形成固溶體。這種情況下，形成了磁性層/固溶體層/絕緣層/磁性層的四層結(jié)構(gòu)，或磁性層/固溶體層/金屬層/絕緣層/磁性層的五層結(jié)構(gòu)。由于固溶體是非磁性的，所以固溶體中的電子未自旋極化。因此，磁性層間的電子隧穿的極化因子在固溶體時(shí)減小，使得由方程(2)給出的電阻變化率降低。
本發(fā)明的目的是提供一種具有大電阻變化率的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，能夠抑制在隧道結(jié)的磁性層和絕緣層間的界面形成非磁性層，并提供其制造方法，及利用這種隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的磁敏傳感器。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有良好電氣特性的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，能夠抑制隧道結(jié)的金屬層和絕緣層間的相互作用。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，提供一種隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，包括形成于支撐襯底上的第一磁性層；設(shè)置于第一磁性層上的隧道絕緣層，該隧道絕緣層含作為其組分的金屬元素；設(shè)置于隧道絕緣層上的第二磁性層；及設(shè)置于第一磁性層和隧道絕緣層間的防止擴(kuò)散層，該層由能夠抑制第一磁性層中的金屬原子和隧道絕緣層中的金屬原子相互擴(kuò)散的的材料構(gòu)成，其中隧道絕緣層和防止擴(kuò)散層每層都有允許隧道電流在第一和第二磁性層之間流動(dòng)的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的第二方案，提供一種制造隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟在基底襯底表面上淀積第一磁性層；氧化或氮化第一磁性層的表面形成防止擴(kuò)散層，其厚度足夠使電子通過其隧穿；在防止擴(kuò)散層表面上淀積金屬層，該金屬層由可以通過氧化或氮化變?yōu)榻^緣材料的金屬構(gòu)成；通過至少氧化或氮化金屬層的表面層，形成隧道絕緣層；及在隧道絕緣層表面上形成第二磁性層。
由于設(shè)置了防止擴(kuò)散層，所以可以抑制第一磁性層的金屬原子和隧道絕緣層中的金屬原子的相互擴(kuò)散，并且可以防止兩種原子形成固溶體。如果在磁性層和隧道絕緣層間形成固溶體，則在磁性層之間隧穿的電子的自旋極化因子降低。由于可以防止形成固溶體，所以可以防止電子自旋極化率降低，可以實(shí)現(xiàn)較大的隧道電阻變化率。
根據(jù)本發(fā)明的再一方案，提供一種隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，具有依次層疊的第一金屬層、隧道絕緣層和第二金屬層，該隧道結(jié)結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于至少第一和第二金屬層之一與隧道絕緣層間的防止擴(kuò)散層，該防止擴(kuò)散層防止至少第一和第二金屬層之一的金屬原子與構(gòu)成隧道絕緣層的原子相互擴(kuò)散。
由于可以防止金屬層的金屬原子與隧道絕緣層的金屬原子相互擴(kuò)散，所以甚至在高溫下也可以實(shí)現(xiàn)期望的電氣特性。
根據(jù)本發(fā)明的又一方案，提供一種磁敏傳感器，包括形成于支撐襯底上的第一磁性層；設(shè)置于第一磁性層上的隧道絕緣層，隧道絕緣層含有作為其組分的金屬元素；設(shè)置于隧道絕緣層上的第二磁性層；設(shè)置于第一磁性層和隧道絕緣層之間的防止擴(kuò)散層，該層由可以抑制第一磁性層中的金屬原子與隧道絕緣層中的金屬原子相互擴(kuò)散的材料構(gòu)成；及檢測第一和第二磁性層間隧道電阻變化的檢測裝置，其中隧道絕緣層和防止擴(kuò)散層每層都有允許隧穿電流在第一和第二磁性層之間流動(dòng)的厚度。
可以抑制第一磁性層的金屬原子和隧穿絕緣層的金屬原子間的相互擴(kuò)散，并可以防止兩種原子形成固溶體。由于可以防止形成固溶體，所以可以防止在磁性層間隧穿的電子的自旋極化率降低，防止隧穿電阻變化率的降低，并可獲得高靈敏度的磁敏傳感器。
如上所述，通過抑制構(gòu)成磁性層的金屬元素與構(gòu)成隧道絕緣層的金屬元素相互擴(kuò)散，可以實(shí)現(xiàn)耐熱性好的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)?？梢岳眠@種鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)制造耐熱性好的磁敏傳感器和磁頭。


圖1A和1B是展示本發(fā)明實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的平面圖和剖面圖。
圖2是展示外加磁場與示于圖1A和1B的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MR率之間關(guān)系的曲線圖。
圖3是展示熱處理溫度與示于圖1A和1B的鐵磁性隧結(jié)結(jié)構(gòu)的MR率之間關(guān)系的曲線圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例的第一變形的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例的第二變形的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例的第三變形的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖7A和7B分別是利用本發(fā)明實(shí)施例和其變形的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的磁頭的頂視圖和正視圖。
圖8A和8B分別是展示熱處理與Co/Al層疊結(jié)構(gòu)和Co/CoO/Al層疊結(jié)構(gòu)的飽和磁化強(qiáng)度之間關(guān)系的曲線圖。
在說明本發(fā)明的實(shí)施例前，首先說明為評(píng)估在兩層結(jié)構(gòu)的Co層和Al層間的界面Co與Al間的反應(yīng)而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。
圖8A是展示Co層的飽和磁化強(qiáng)度作為熱處理溫度的函數(shù)的曲線圖，其中飽和磁化強(qiáng)度為在熱處理了每個(gè)由厚為3.0微米的Co層和形成于Co層上的厚10納米的Al層構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)后測量得到的。橫座標(biāo)表示單位為℃的熱處理溫度，縱座標(biāo)表示單位為emu的飽和磁化強(qiáng)度。在相同條件下形成多個(gè)樣品，測量每個(gè)樣品的飽和磁化強(qiáng)度，并繪圖。如果在200℃以上溫度進(jìn)行熱處理，則飽和磁化強(qiáng)度迅速下降。這是由于熱處理期間Co層和Al層間的界面處Co和Al的相互擴(kuò)散形成了固溶體的緣故。
圖8B是展示飽和磁化強(qiáng)度與熱處理溫度間關(guān)系的曲線圖，其中飽和磁化強(qiáng)度是在熱處理了每個(gè)樣品結(jié)構(gòu)后測量得到的，該結(jié)構(gòu)是通過淀積Co層，并將該層暴露于大氣中2小時(shí)，以在Co層表面上形成自然氧化膜(CoO層)，然后淀積鋁層得到。在同樣的制造條件下形成多個(gè)樣品，測量每個(gè)樣品的飽和磁化強(qiáng)度，并繪圖。Co層和Al層的厚度與圖8A所示樣品相同。即使在350℃進(jìn)行熱處理，飽和磁化強(qiáng)度也幾乎不下降。這是由于在Co層和Al層界面形成的CoO層的緣故，該CoO層用作防止擴(kuò)散層。
接著，結(jié)合圖1A-圖3說明本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1A是本發(fā)明實(shí)施例的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的平面圖。在硅襯底表面上形成在圖1A的垂直方向延伸的下磁性層10。一般情況下，下磁性層10的中間區(qū)域上形成包括隧道絕緣層的中間層20，覆蓋下磁性層10。在由中間層20形成的區(qū)域上形成上磁性層，該層在圖1A的水平方向延伸，且與下磁性層10正交。例如，通過利用具有與每層相同形狀的金屬掩模進(jìn)行濺射來形成各層。
電壓計(jì)3和電流計(jì)2接在下磁性層10和上磁性層20間。根據(jù)測量的電壓和電流可以計(jì)算隧道電阻。
圖1B是沿圖1A中的單點(diǎn)劃線B1-B1取的剖面圖。形成于硅襯底1表面上的下磁性層10為由NiFe層11、Co層12和CoO層13構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)。本說明書中，在沒有明確給出每種化合物的組分比的情況下，其組分比并不限于一種組合。例如，CoO的組分比不只限于Co/O=1∶1。在平行于襯底平面和垂直于下磁性層10的延伸方向的磁場中淀積NiFe層11和Co層12。因此，NiFe層11和Co層12在垂直于圖1B圖面的方向磁化。NiFe層11和Co層12的厚度例如分別為17納米和3.3納米。CoO層13為將Co層12暴露于大氣中1小時(shí)形成的自然氧化膜。另外也可以用等離子氧化、熱氧化等方法。
形成于下磁性層10上的中間層20為Al層21和AlO隧道絕緣層22的層疊結(jié)構(gòu)。例如。中間層20通過以下方法形成，即淀積1.3納米厚的Al層，并將Al層暴露于大氣中500小時(shí)，以自然氧化該層的表面。另外，也可以利用等離子氧化等方法。
形成于中間層20上的上磁性層30是3.3納米厚的Co層31、17納米厚的NiFe層、45納米厚的FeMn層33和8納米厚的NiFe層34構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)。在平行于襯底平面且垂直于上磁性層30的延伸方向的磁場中淀積構(gòu)成上磁性層30的各層。因此構(gòu)成上磁性層30的各層在圖1B中的水平方向磁化。
Co的極化因子大于NiFe的極化因子。因此，通過在NiFe層11和中間層20間插入Co層12，在NiFe層32和中間層20間插入Co層31，可以使由方程式(2)給出的隧道電阻的變化率ΔR/Rs較大。FeMn層33上的NiFe層34用于防止FeMn層33的氧化。
CoO層13可以防止Al層21和下Co層12間的相互擴(kuò)散及Al和Co固溶體的形成。由于下Co層12和上Co層31間插入了非磁性Al層21，上下Co層12和31間的電子隧穿的自旋極化因子可能降低，因此隧道電阻的變化率可能降低。然而，Al層21和AlO層22的總厚度很薄，大約為1.3納米，所以電子的自旋極化因子只下降一點(diǎn)。因此，實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)有問題。
如果所淀積的全部厚度的Al層都氧化，則可以只由AlO層22構(gòu)成中間層20。這種情況下，電子的自旋極化也不降低NiFe為鐵磁性材料，F(xiàn)eMn為反鐵磁性材料。上磁性層30的FeMn層33和NiFe層32進(jìn)行磁性互換，所以無論外加磁場如何，鐵磁性材料NiFe層32的磁化方向固定。同樣，上磁性層30中的Co層31的磁化方向也固定。相反，下磁性層10的NiFe層11和Co層12的磁化方向隨外加磁場而變化。
因此，由于外部磁場加于下磁性層10上，下Co層12和上Co層31的相對(duì)磁化角變化。由于相對(duì)磁化角變化，所以隧道電阻變化，如可從方程(1)理解到的那樣。因此，通過用電壓計(jì)3和電流計(jì)2測量隧道電阻，可以檢測外加磁場的變化。
圖2是展示磁場與圖1A和1B所示的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的隧道電阻變化率(MR率)之間關(guān)系的曲線圖。橫座標(biāo)表示單位為Oe的外加磁場，縱座標(biāo)表示單位為％的MR率。出現(xiàn)兩條曲線，因?yàn)镸R率按磁場從-100Oe至+100Oe的方式和從+100Oe至-100Oe的另一方式發(fā)生變化。沿垂直于圖1B圖面的方向加磁場，使下NiFe層11和下Co層12的磁化方向旋轉(zhuǎn)，使之平行于或反向平行于上Co層31的磁化方向。磁化方向平行時(shí)，隧道電阻變?yōu)樽钚?，而磁化方向反向平行時(shí)，隧道電阻變?yōu)樽畲蟆R率定義為MR率=(ρmax-ρmin)/ρmin…(4)其中，ρmax和ρmin分別為最大隧道電阻和最小隧道電阻。
如圖2所示，在約20Oe的磁場下得到了約10％的MR率。
接著，說明在壓力為1×10-5乇的真空中熱處理1小時(shí)后圖1A和1B所示鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MR率的變化。
圖3是展示熱處理與熱處理后MR率之間關(guān)系的圖。橫座標(biāo)表示單位為℃的熱處理溫度，縱座標(biāo)表示單位為％的MR率。即使在200-300℃的溫度下進(jìn)行熱處理，MR率也幾乎不降低。這歸因于圖1B中的CoO層13，該層用作防止擴(kuò)散層，防止了下Co層12和Al層21中的Co和Al的相互擴(kuò)散，以及防止了Al和Co形成固溶體。
300℃溫度下熱處理導(dǎo)致MR率增大的原因可能是CoO層13中的氧原子擴(kuò)散到Al層21，形成了AlO層，使得非磁性Al層21衰減或使該層減薄。為了確保這種效果，最好是選擇各層的材料，使構(gòu)成中間層20的每種金屬元素(此時(shí)為Al)間的結(jié)合能變得大于構(gòu)成中間層20一邊的下磁性層10中一層(此時(shí)為Co層12)的每種金屬元素(此時(shí)為Co)的結(jié)合能。
按該實(shí)施例，氧化鈷膜用作防止擴(kuò)散層，氧化鋁膜用作隧道絕緣層。Co和Al與不同于氧的其它元素反應(yīng)，只要這些元素其它可與Co和Al反應(yīng)形成絕緣材料即可，由此可以形成防止擴(kuò)散層和隧道絕緣層。例如，可以用Al和Co的氮化物。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例的第一變形的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的剖面圖。在圖1B所示鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中，隧道絕緣層22通過Al層的自然氧化形成。然而，很難氧化整個(gè)厚度的Al層，Al層最深層區(qū)留有非氧化的Al層21。
在該第一變形中，進(jìn)行多次Al層的淀積和自然氧化。由此由多層AlO薄層20a-20c構(gòu)成中間層20A。例如，每個(gè)AlO薄層20a-20c的厚度設(shè)為0.4納米。其余結(jié)構(gòu)與圖1A和1B所示實(shí)施例相同。
由于隧道絕緣膜20A由多次工藝形成，通過一次氧化工藝氧化的Al層的厚度變薄。因此，可以相對(duì)容易地氧化整個(gè)厚度的Al層。隧道絕緣層20A不限于由三層構(gòu)成，可以由兩層或四層或更多層構(gòu)成。
下磁性層10和上磁性層30間沒有殘留非磁性Al層，或即使殘留有非磁性Al層，這種Al層也很薄。因此可以預(yù)計(jì)有很大的MR率。構(gòu)成中間層20A的每一層可以由不同金屬元素的氧化物構(gòu)成。例如，薄層20a和20c可以由AlO構(gòu)成，而薄膜20b由NbO構(gòu)成。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例的第二變形的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的剖面圖。第二變形的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中，圖1B所示的下NiFe層11和上NiFe層32被層疊結(jié)構(gòu)11A和32A代替，層疊結(jié)構(gòu)通過交替淀積NiFe薄層和Fe薄層形成。例如，2納米厚的NiFe層和2納米厚的Fe層按五層交替疊置。其余結(jié)構(gòu)與圖1A和1B所示實(shí)施例相同。
這種多層結(jié)構(gòu)抑制了熱處理過程中晶粒的生長。如果熱處理期間晶粒生長的話，在某些情況下會(huì)破壞隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。通過抑制晶粒的生長，可以提高其耐熱性。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例的第三變形的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的剖面圖。在第三變形的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中，圖1B所示的下NiFe層11被層疊結(jié)構(gòu)11A代替，層疊結(jié)構(gòu)11A與第二變形類似，是由交替淀積NiFe薄層和Fe薄層形成的，上NiFe層32由層疊結(jié)構(gòu)32B代替，層疊結(jié)構(gòu)32B由交替淀積Co薄層和Cu薄層形成。例如，1.5納米厚的Co薄層和1納米厚的Cu薄層按五層交替疊置。其余結(jié)構(gòu)與圖1A和1B所示實(shí)施例相同。
如果使用交替淀積鐵磁性薄層和非磁性薄層形成的多層結(jié)構(gòu)，并且調(diào)整非磁性薄層的厚度，可以在之后將被互換結(jié)合的鐵磁性薄層中發(fā)生鐵磁性或反鐵磁性互換。第三變形中，反鐵磁性互換發(fā)生在Co薄層中。在層疊結(jié)構(gòu)32B與反鐵磁性FeMn層33接觸時(shí)，層疊結(jié)構(gòu)32B的鐵磁性薄層的磁化方向固定，所以可以實(shí)現(xiàn)與圖1A和1B所示實(shí)施例相同的功能。
鐵磁性互換也可以通過改變層疊結(jié)構(gòu)中非磁性薄層的厚度實(shí)現(xiàn)。另外，這種情況下，層疊結(jié)構(gòu)32B的磁化方向固定，這種結(jié)構(gòu)用作固定磁化層。另外可以獲得參考圖5說明的抑制晶粒生長的效果。
圖7A是用于硬盤驅(qū)動(dòng)的磁頭的頂視圖，該磁頭使用本發(fā)明實(shí)施例或第一至第三變形之一的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。圖7B是沿圖7A中的箭頭方向AR看圖7A所示磁頭的正視圖(面對(duì)磁盤)。下面參照?qǐng)D7A和7B說明這種磁頭的結(jié)構(gòu)和工作。
在支撐襯底70上形成由NiFe、FeN等構(gòu)成的下屏蔽層50。支撐襯底70由Al2O3-TiC基底襯底和形成于其上的氧化鋁(Al2O3)層構(gòu)成。在下屏蔽層50上形成由Al2O3構(gòu)成的下間隔層51。下磁性層52形成于下間隔層51的部分區(qū)域上。下磁性層52的寬度WL例如為0.8微米。在下磁性層52的兩邊形成CoCrPt層53A和53B，這兩層與層52的側(cè)壁接觸。CoCrPt層53A和53B與下磁性層52電連接。
在CoCrPt層53A和53B上形成由Ta、Ti、Cu、W等構(gòu)成的電極54A和54B。電極54A和54B分別與CoCrPt層53A和53B電連接。磁化CoCrPt層53A和53B，使下磁性層52具單磁疇，以抑制磁疇壁突變，減輕工作的不穩(wěn)定性。形成中間層55覆蓋下磁性層52及電極54A和54B。
在對(duì)應(yīng)于下磁性層52區(qū)域的中間層55上形成上磁性層56。在上磁性層56上形成由Ta、Ti、Cu、W等構(gòu)成的電極57。上磁性層56的寬度WH例如為0.5微米。形成由Al2O3構(gòu)成的上間隔層58，覆蓋電極57和中間層55。在上間隔層58上形成由NiFe等構(gòu)成的上屏蔽層(shieldlayer)59。
下磁性層52、中間層55和上磁性層56構(gòu)成鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。該鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)與本發(fā)明實(shí)施例或第一至第三變形之一的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)相同。
如圖7A所示，面對(duì)圖7B所示的小平面定位磁盤60。磁盤60在垂直于下磁性層52的平面的方向運(yùn)動(dòng)，并與圖7B所示的小平面保持一定間隙。下磁性層52中產(chǎn)生的磁場的大小和方向根據(jù)磁盤60的磁化狀態(tài)變化。
下和上屏蔽層50和59輔助磁頭只拾取存儲(chǔ)于磁盤60的磁化信息中的主題磁化信息，并消除不必要的附近的磁信息產(chǎn)生的影響。上下屏蔽層50和59的間距限定了軌道方向上磁盤60的記錄密度(線記錄密度)。
讀取磁化信息時(shí)，恒定的電流流過左邊的下電極54A和上電極57，檢測其間的電壓。恒定電流可以流過右邊的下電極54B和上電極57，并可以檢測左邊下電極54A和上電極57間的電壓。這種關(guān)系可以是相反的。
在上述實(shí)施例和變形中，Co和FeNi用作鐵磁性材料，F(xiàn)eMn用作反鐵磁性材料。但也可以用其它材料。盡管用Al作為其組分元素的絕緣材料作隧道絕緣膜，但也可以用其它金屬元素作其組分元素的其它絕緣材料。
上述實(shí)施例中，盡管說明了具有磁性層/絕緣層/磁性層這樣的層疊結(jié)構(gòu)的鐵磁性隧道結(jié)，但本發(fā)明也可應(yīng)用于普通的具有金屬層/絕緣層/金屬層這樣的層疊結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)。在金屬層和絕緣層之間插入防止擴(kuò)散層，可以在高溫下形成固溶體，從而改善耐熱性。
以上結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例說明了本發(fā)明。但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。顯然本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以作出各種變形、改進(jìn)、組合等。
權(quán)利要求
1．一種隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，包括形成于支撐襯底上的第一磁性層；設(shè)置于第一磁性層上的隧道絕緣層，該隧道絕緣層含作為其組分的金屬元素；設(shè)置于隧道絕緣層上的第二磁性層；及設(shè)置于第一磁性層和隧道絕緣層間的防止擴(kuò)散層，該層由抑制第一磁性層中的金屬原子和隧道絕緣層中的金屬原子相互擴(kuò)散的材料構(gòu)成，其中隧道絕緣層和防止擴(kuò)散層每層都有允許隧道電流在第一和第二磁性層中流動(dòng)的厚度。
2．如權(quán)利要求1的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，還包括設(shè)置于防止擴(kuò)散層和隧道絕緣層之間的金屬層，該金屬層含有構(gòu)成隧道絕緣層的金屬元素作為其組分。
3．如權(quán)利要求2的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，防止擴(kuò)散層為氧化第一磁性層表面形成的絕緣層。
4．如權(quán)利要求1的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，氧與構(gòu)成隧道絕緣層的金屬元素間的結(jié)合能大于氧與構(gòu)成第一和第二磁性層的金屬元素間的鍵合能。
5．如權(quán)利要求1的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，隧道絕緣層為一層疊結(jié)構(gòu)，該層疊結(jié)構(gòu)由多個(gè)絕緣薄層構(gòu)成，構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)的相鄰兩絕緣薄層含不同金屬元素作其組分。
6．如權(quán)利要求1的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，第一和第二磁性層之一由鐵磁性材料構(gòu)成，另一個(gè)包括鐵磁性材料構(gòu)成且設(shè)置于靠近隧道絕緣層一邊的第一薄層、和由反鐵磁性材料構(gòu)成且鄰近第一薄層設(shè)置的第二薄層。
7．如權(quán)利要求1的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，第一和第二磁性層中至少一層為由多層薄層構(gòu)成的疊層，相鄰兩薄層由不同磁性材料構(gòu)成。
8．如權(quán)利要求1的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，第一和第二磁性層中至少一層為由交替層疊磁性薄層和非磁性薄層形成的多層膜，其中磁性薄層彼此間進(jìn)行磁性互換。
9．一種制造隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟在基底襯底表面上淀積第一磁性層；氧化或氮化第一磁性層的表面形成防止擴(kuò)散層，其厚度足夠使電子通過其隧穿；在防止擴(kuò)散層表面上淀積金屬層，該金屬層由可以通過氧化或氮化變?yōu)榻^緣材料的金屬構(gòu)成；通過至少氧化或氮化金屬層的表面層，形成隧道絕緣層；及在隧道絕緣層表面上淀積第二磁性層。
10．如權(quán)利要求9的制造隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的方法，還包括以下步驟在淀積第二磁性層步驟后，在能使防止擴(kuò)散層中的氧或氮原子與金屬層反應(yīng)并形成由構(gòu)成金屬層的金屬元素的氧化物或氮化物構(gòu)成的層的溫度下，進(jìn)行熱處理。
11．如權(quán)利要求9的制造隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，交替多次進(jìn)行淀積金屬層的步驟和形成隧道絕緣層的步驟。
12．一種隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，具有依次層疊的第一金屬層、隧道絕緣層和第二金屬層，該隧道結(jié)結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于至少第一和第二金屬層之一與隧道絕緣層之間的防止擴(kuò)散層，該防止擴(kuò)散層防止至少第一和第二金屬層之一的金屬原子與構(gòu)成隧道絕緣層的原子相互擴(kuò)散。
13．如權(quán)利要求12的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，隧道絕緣層具有作為其一種組分的金屬元素，防止擴(kuò)散層防止隧道絕緣層中的金屬元素與至少第一和第二金屬層中之一的金屬元素形成固溶體。
14．一種磁敏傳感器，包括形成于支撐襯底上的第一磁性層；設(shè)置于第一磁性層上的隧道絕緣層，該隧道絕緣層含有作為其組分的金屬元素；設(shè)置于隧道絕緣層上的第二磁性層；設(shè)置于第一磁性層和隧道絕緣層之間的防止擴(kuò)散層，該層由可以抑制第一磁性層中的金屬原子與隧道絕緣層中的金屬原子相互擴(kuò)散的材料構(gòu)成；及檢測第一和第二磁性層間隧道電阻變化的檢測裝置，其中隧道絕緣層和防止擴(kuò)散層每層都有允許隧穿電流在第一和第二磁性層之間流動(dòng)的厚度。
全文摘要
提供一種隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。第一磁性層形成于支撐襯底上。隧道絕緣層設(shè)置于第一磁性層上,隧道絕緣層含作為其一種組分的金屬元素。第二磁性層設(shè)置于隧道絕緣層上。防止擴(kuò)散層設(shè)置于第一磁性層和隧道絕緣層之間。防止擴(kuò)散層抑制第一磁性層中的金屬原子與隧道絕緣層中的金屬原子的相互擴(kuò)散。隧道絕緣層和防止擴(kuò)散層都具有允許隧道電流在第一和第二磁性層之間流動(dòng)的厚度。
文檔編號(hào)H01L43/08GK1213866SQ9810844
公開日1999年4月14日 申請(qǐng)日期1998年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月1日
發(fā)明者佐藤雅重, 菊地英幸, 小林和雄 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社