專利名稱：具有增大磁阻的鐵磁隧道結(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵磁隧道結(jié)領(lǐng)域。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及具有增大磁阻的鐵磁隧道結(jié)。
鐵磁隧道結(jié)可以應(yīng)用于各種磁系統(tǒng)中。例如，鐵磁隧道結(jié)可以用作磁通量傳感器。這種磁通量傳感器適用于一種記錄頭，該記錄頭用于探測(cè)從一種磁介質(zhì)如磁帶或磁盤中發(fā)出的磁通量。此外，鐵磁隧道結(jié)可以用作磁性存儲(chǔ)器的磁性存儲(chǔ)單元。
現(xiàn)有技術(shù)中的鐵磁隧道結(jié)通常由一對(duì)鐵磁層構(gòu)成，其間由一層薄的隔離層分開。一般來(lái)說(shuō)，施加在鐵磁層上的偏置電壓會(huì)引起電子通過(guò)隔離層在兩個(gè)鐵磁層之間遷移。這種引起電子通過(guò)隔離層遷移的現(xiàn)象可以被稱為量子力學(xué)隧道效應(yīng)。
一般來(lái)說(shuō)，鐵磁隧道結(jié)的電阻根據(jù)鐵磁層中磁矩相對(duì)取向而變化。當(dāng)磁化的相對(duì)取向平行時(shí)，隧道結(jié)通常處于低電阻狀態(tài)。相反地，當(dāng)相對(duì)取向反平行時(shí)，隧道結(jié)通常處于高電阻狀態(tài)。
表征一個(gè)隧道結(jié)的有用度量物理量是其隧道效應(yīng)磁阻(TMR)。一個(gè)隧道結(jié)的TMR可以定義為它在高電阻狀態(tài)下的電阻減去它在低電阻狀態(tài)下的電阻，再除以它在低電阻狀態(tài)下的電阻。TMR表示一個(gè)隧道結(jié)的高電阻與低電阻狀態(tài)之間的變化率。
一般希望應(yīng)用具有相對(duì)較高TMR的隧道結(jié)。例如，包含具有相對(duì)較高TMR的隧道結(jié)的磁性存儲(chǔ)單元與包含具有相對(duì)較低TMR的隧道結(jié)的磁性存儲(chǔ)單元相比，在讀操作過(guò)程中通常具有較高的信噪比。此外，包含具有相對(duì)較高TMR的隧道結(jié)的磁性記錄頭與包含具有較低TMR的隧道結(jié)的磁性記錄頭相比，一般具有較高的靈敏度。
本申請(qǐng)公開了具有增大磁阻的鐵磁隧道結(jié)。增大的磁阻是通過(guò)使隧道結(jié)具有這樣的構(gòu)形而實(shí)現(xiàn)的，其構(gòu)形使得具有強(qiáng)極化的鐵磁晶粒區(qū)域的自旋隧道效應(yīng)最大化，而使得晶粒邊界處的缺陷散射效應(yīng)最小化。這種隧道結(jié)構(gòu)形包括具有多個(gè)拱曲區(qū)域和介于其間的多個(gè)低凹區(qū)域的第一鐵磁層和具有基本平坦的上表面的隔離層。第一鐵磁層的多個(gè)拱曲區(qū)域與隔離層的平坦上表面結(jié)合形成了在第一鐵磁層與一個(gè)第二磁層之間的一條電子遷移路徑，所說(shuō)第二磁層在拱曲區(qū)域之上的高度小于在低凹區(qū)域之上的高度。這種隧道結(jié)結(jié)構(gòu)使得在晶粒邊界，即低凹區(qū)域，產(chǎn)生的隧道電流最小，而使得拱曲區(qū)域的隧道電流增大。此外，增大的磁阻實(shí)現(xiàn)于具有薄的分界層的隧道結(jié)中，這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了在接近隧道結(jié)中隔離層的分界處的鐵磁材料的磁極化特性。
從以下的詳細(xì)描述中可以了解本發(fā)明其它的特征和優(yōu)點(diǎn)。
下面以具體實(shí)施例為例，并參照附圖介紹本發(fā)明，在所說(shuō)附圖中

圖1表示具有增大其隧道磁阻(TMR)構(gòu)形的一個(gè)隧道結(jié)；圖2表示具有增大其隧道磁阻(TMR)的構(gòu)形與分界層組合結(jié)構(gòu)的一個(gè)隧道結(jié)；圖3表示構(gòu)成增大其TMR的一種隧道結(jié)構(gòu)形的一系列處理步驟的一個(gè)實(shí)例；圖4表示具有增大其隧道磁阻(TMR)的分界層的一個(gè)隧道結(jié)。
圖1表示一個(gè)隧道結(jié)10的一個(gè)實(shí)施例，其具有增大其隧道磁阻(TMR)的一種構(gòu)形。該實(shí)施例中的這種隧道結(jié)10包括一個(gè)鐵磁層12、一個(gè)隔離層14、和一個(gè)鐵磁層16。
隧道結(jié)10在鐵磁層12中具有一種拱曲構(gòu)形，包括一組拱曲區(qū)域如拱曲區(qū)域20-21和介于其間的低凹區(qū)域如低凹區(qū)域22。低凹區(qū)域相當(dāng)于鐵磁層12的多晶晶格結(jié)構(gòu)中的晶粒邊界如拱曲區(qū)域20-21之間的晶粒邊界15。拱曲區(qū)域20-21如圖所示具有拱曲直徑d和拱曲高度h。隧道結(jié)10還具有隔離層14的上表面18的相對(duì)平坦的構(gòu)形。
鐵磁層12的拱曲構(gòu)形12與隔離層14的相對(duì)平坦上表面18相結(jié)合，使拱曲區(qū)域20-21比低凹區(qū)域22更靠近鐵磁層16。結(jié)果，從拱曲區(qū)域20-21至鐵磁層16的電子遷移路徑基本短于從低凹區(qū)域22至鐵磁層16的電子遷移路徑。
因?yàn)橥ㄟ^(guò)隔離層14的電子遷移隨路徑的增長(zhǎng)成指數(shù)減少，所以鐵磁層12與16之間的電子遷移基本全部由拱曲區(qū)域20-21貢獻(xiàn)。低凹區(qū)域22對(duì)于電子遷移的貢獻(xiàn)達(dá)到最小化，從而使得可能出現(xiàn)在鐵磁層12多晶結(jié)構(gòu)中的晶粒邊界處的散射效應(yīng)最小。
此外，由于在拱曲區(qū)域20-21具有較高程度的結(jié)晶完整性，鐵磁層12中的磁極化在拱曲區(qū)域20-21可能強(qiáng)于低凹區(qū)域22。隧道結(jié)10的構(gòu)形使得鐵磁層12的強(qiáng)極化部分對(duì)隧道電流產(chǎn)生貢獻(xiàn)。
鐵磁層12和16分別由一層磁膜如鎳鐵膜構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中隔離層14為氧化鋁。它是以這樣的方式形成的，填充在低凹區(qū)域22中，并形成相對(duì)平坦的上表面18。在一個(gè)實(shí)施例中，隔離層14是這樣構(gòu)成的，在鐵磁層12上沉積一層鋁，其填充在低凹區(qū)域22中，然后將其暴露于氧氣等離子體中。
圖2表示包括一對(duì)分界層30和32的隧道結(jié)10的一個(gè)實(shí)施例，所說(shuō)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增大了其隧道磁阻(TMR)。分界層30和32形成在鐵磁層12和16與隔離層14之間的分界處。分界層30形成在鐵磁層12與隔離層14之間，分界層32形成在隔離層14與鐵磁層16之間。
分界層30-32用于增強(qiáng)與隔離層14分界處的鐵磁材料12和16的磁極化特性。分界層30-32為鐵磁材料層，例如鎳、鐵、鈷、或這些元素的合金。
對(duì)于隧道結(jié)10的TMR值增大有貢獻(xiàn)的拱曲區(qū)域20-21可以用所示的兩個(gè)尺度，拱曲直徑d和拱曲高度h(圖1所示)，來(lái)描述。多晶膜的晶粒直徑等于拱曲直徑d。
可以應(yīng)用本領(lǐng)域眾所周知的用于控制晶粒直徑的各種方法來(lái)控制拱曲直徑d。這類方法的實(shí)例包括增加籽晶層、沉積后退火，以利于晶粒生長(zhǎng)，和控制沉積條件，例如環(huán)境壓力，膜生長(zhǎng)速率、膜厚度、基片偏壓、和基片溫度?？刂凭Я４笮〉倪@些因素中有許多對(duì)于拱曲高度h的控制也是有貢獻(xiàn)的。
對(duì)于拱曲構(gòu)形具有影響的另一個(gè)因素是各向異性的生長(zhǎng)率。例如，如果鐵磁層12中大部分晶粒的取向使得它們的結(jié)晶方向相對(duì)于基片法線方向是相同的，并且沿特定方向具有比其它方向更佳的生長(zhǎng)率，則在中心部分生長(zhǎng)的小平面或拱曲晶粒高于在晶粒邊界處。
在薄膜中引入表面構(gòu)形的另一種機(jī)制是通過(guò)應(yīng)力，通過(guò)增加與晶格失配的籽晶層或調(diào)節(jié)沉積條件可以產(chǎn)生應(yīng)力。對(duì)于建立拱曲構(gòu)形來(lái)說(shuō)，可取的是壓縮應(yīng)力。
圖3表示增大隧道結(jié)10的TMR值的一系列處理步驟的一個(gè)實(shí)例。這些步驟包括在隧道結(jié)10中形成拱曲構(gòu)形，和插入強(qiáng)極化分界層。
隧道結(jié)10形成在一個(gè)基片100上，所說(shuō)基片可以是氧化硅。以有利于在鐵磁層12中形成拱曲結(jié)構(gòu)的方式在基片100上沉積各種材料。
在一個(gè)實(shí)施例中，有利于在鐵磁層12中形成拱曲構(gòu)形的材料包括第一籽晶層40、第二籽晶層42、和反鐵磁層44。在該實(shí)施例中第一籽晶層40為例如鉭(Ta)一類材料。第二籽晶層42可以是鎳鐵(NiFe)。反鐵磁材料44可以是鐵錳(FeMn)。在該實(shí)施例中，反鐵磁層44形成一個(gè)磁化轉(zhuǎn)換膜，它使鐵磁層12中磁化方向固定。
隧道結(jié)10中的材料可以通過(guò)在壓力為5毫乇的氬氣環(huán)境中濺射到基片100上進(jìn)行沉積，基片保持為室溫和地電位。在確定拱曲構(gòu)形的直徑d和高度h時(shí)膜片厚度是一個(gè)重要的參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一籽晶層40為10毫微米厚，第二籽晶層42為6毫微米厚，反鐵磁層44為10毫微米厚，鐵磁層12為12毫微米，從而在隔離層14以下多晶材料的累積厚度為38毫微米。這個(gè)厚度足以在鐵磁層12中產(chǎn)生拱曲構(gòu)形。
然后在鐵磁層12的拱曲構(gòu)形之上沉積一層分界層30。分界層30的形狀與鐵磁層12的構(gòu)形一致。然后通過(guò)沉積鋁而形成隔離層14，所說(shuō)鋁填充在分界層30的低凹區(qū)域22中，并且具有平坦的上表面。其后的氧化步驟形成隔離層14的氧化鋁。然后在鎳鐵鐵磁層16之后形成分界層32。在鐵磁層16之上利用諸如鉭一類材料形成頂層46。
進(jìn)一步增大隧道結(jié)10的TMR值的分界層30-32可以由鎳、鈷、或鐵、或這些元素的合金構(gòu)成。下表表示了隧道結(jié)10中一些分界層30-32示例性結(jié)構(gòu)的作用
在另一個(gè)實(shí)施例中，在形成隔離層14之前的某一時(shí)間可以在鐵磁層12、反鐵磁層44、或籽晶層40和42上實(shí)施鐵蝕刻步驟。實(shí)施鐵蝕刻步驟的目的是優(yōu)選地去除在晶粒邊界如晶粒邊界15附近蝕刻層的某些部分，從而生成低凹區(qū)域如低凹區(qū)域22。這個(gè)蝕刻步驟形成了拱曲構(gòu)形，這種構(gòu)形與隔離層14的經(jīng)過(guò)平整的上表面18共同使隧道結(jié)10的磁阻增大。
鐵磁層12的構(gòu)形對(duì)于隧道結(jié)10的TMR值的作用可以通過(guò)比較兩種結(jié)構(gòu)來(lái)表征，所說(shuō)的兩種結(jié)構(gòu)中，一種是這里所述的拱曲構(gòu)形，另一種是鐵磁層12具有平坦的上表面。在兩種情況下，鐵磁層12為鎳鐵，隔離層14為通過(guò)對(duì)鋁膜的等離子體氧化而形成的氧化鋁，鐵磁層16為鎳鐵。
參見圖3，制備出鐵磁層12具有平坦上表面的比較樣品，在該樣品中反鐵磁層44從原來(lái)位于層42與12之間移動(dòng)到位于層16與46之間。在檢測(cè)構(gòu)形作用的這些樣品中不包括分界層30和32。在隔離層14兩側(cè)具有平坦分界面的樣品的TMR平均值為23.6％，具有這里所述拱曲構(gòu)形的樣品的TMR平均值為29.5％。對(duì)于分界面平面性的分析是利用高分辨率透射電子顯微鏡對(duì)橫剖的樣品進(jìn)行的。表面平坦樣品的拱曲高度h小于0.6毫微米，而表面粗糙的樣品的拱曲高度大約為2.1毫微米。
圖4表示具有平坦構(gòu)形的一個(gè)隧道結(jié)50，它包括一對(duì)分界層60和62，它們使其TMR值增大。隧道結(jié)50包括一層鐵磁層52、一層隔離層54、和一層鐵磁層56，它們可以形成在一個(gè)基片上，或者形成在一層或多層插入材料上。鐵磁層52具有基本平坦的上表面，而不是拱形構(gòu)形。
分界層60和62為鐵磁材料薄層，這些分界層用于增強(qiáng)與隔離層54的分界層附近的鐵磁層52和56的磁極化特性。在一個(gè)實(shí)施例中，分界層60和62為厚度小于4毫微米的薄層。分界層60和62可以是鎳、鐵、鈷、或這些元素的合金。
以上對(duì)于本發(fā)明詳細(xì)描述的目的只是為了進(jìn)行說(shuō)明，而不是窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制為所公開的這些具體實(shí)例。所以，本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.用于形成隧道結(jié)(10)的一種方法，該方法包括以下步驟形成一第一鐵磁層(12)，該鐵磁層上表面的構(gòu)形中包括一組拱曲區(qū)域(20-21)和一組介于所說(shuō)拱曲區(qū)域之間的低凹區(qū)域(22)；在所說(shuō)第一鐵磁層之上形成一隔離層(14)，所說(shuō)隔離層(14)的上表面基本是平坦的，從而使得隧道結(jié)(10)中在所說(shuō)第一鐵磁層(12)與一個(gè)第二鐵磁層(16)之間的電子遷移路徑在拱曲區(qū)域(20-21)短于在低凹區(qū)域(22)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于形成一第一鐵磁層(12)的步驟包括在所說(shuō)第一鐵磁層之下形成一層或多層材料層的步驟，其中多層材料的厚度是經(jīng)過(guò)選擇的，以便在形成所說(shuō)第一鐵磁層時(shí)能夠形成所說(shuō)拱曲區(qū)域(20-21)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所說(shuō)材料層形成固定層，該固定層能夠使所說(shuō)第一鐵磁層(12)的磁化方向固定。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所說(shuō)居間低凹區(qū)域(22)對(duì)應(yīng)于所說(shuō)第一鐵磁層(12)的多晶結(jié)構(gòu)的晶粒邊界。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所說(shuō)多個(gè)材料層之一是經(jīng)過(guò)選擇的，以形成與所說(shuō)第一鐵磁層(12)的晶格失配。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該方法還包括在隔離層(14)與所說(shuō)第一鐵磁層(12)之間的分界處形成一分界層(30)的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于該方法還包括在隔離層(14)與所說(shuō)第二鐵磁層(16)之間的分界處形成一分界層(32)的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所說(shuō)分界層(30-32)是經(jīng)過(guò)選擇的，以增強(qiáng)在與所說(shuō)隔離層(14)分界處附近的所說(shuō)第一和第二鐵磁層(12、16)的磁極化特性。
9.一種隧道結(jié)(10)，其包括第一鐵磁層(12)，其上表面構(gòu)形包括一組拱曲區(qū)域(20-21)和一組位于其間的低凹區(qū)域(22)；位于所說(shuō)第一鐵磁層(12)之上的一隔離層(14)，其中所說(shuō)隔離層(14)的上表面基本是平坦的，從而使得隧道結(jié)(10)中從所說(shuō)第一鐵磁層(12)至一個(gè)第二鐵磁層(16)之間的電子遷移路徑在拱曲區(qū)域(20-21)短于在低凹區(qū)域(22)。
10.如權(quán)利要求所述的隧道結(jié)(10)，其特征在于它還包括位于所說(shuō)第一鐵磁層(12)之下的一層或多層材料，其中所說(shuō)材料層的厚度是經(jīng)過(guò)選擇的，以便在形成所說(shuō)第一鐵磁層(12)的過(guò)程中能夠形成所說(shuō)拱曲區(qū)域(20-21)。
11.如權(quán)利要求10所述的隧道結(jié)(10)，其特征在于所說(shuō)材料層包括一固定層，該固定層使所說(shuō)第一鐵磁層的磁化方向固定。
12.如權(quán)利要求10所述的隧道結(jié)(10)，其特征在于所說(shuō)居間低凹區(qū)域(22)對(duì)應(yīng)于所說(shuō)第一鐵磁層(12)的多晶結(jié)構(gòu)中晶粒邊界。
13.如權(quán)利要求10所述的隧道結(jié)(10)，其特征在于其中一層材料層是經(jīng)過(guò)選擇的，以形成與所說(shuō)第一鐵磁層(12)的晶格失配。
14.如權(quán)利要求9所述的隧道結(jié)(10)，其特征在于它還包括位于所說(shuō)隔離層(14)與所說(shuō)第一鐵磁層(12)之間分界處的一分界層(30)。
15.如權(quán)利要求14所述的隧道結(jié)(10)，其特征在于它還包括位于所說(shuō)隔離層(14)與所說(shuō)第二鐵磁層(16)之間分界處的一分界層(32)。
16.如權(quán)利要求15所述的隧道結(jié)(10)，其特征在于所說(shuō)分界層(30-32)是經(jīng)過(guò)選擇的，以增強(qiáng)靠近與所說(shuō)隔離層(14)分界處的第一和第二鐵磁層(12,16)的磁極化特性。
17.一種隧道結(jié)(10)，它包括第一鐵磁層(12)；隔離層(14)位于所說(shuō)隔離層(14)與所說(shuō)第一鐵磁層(12)之間的薄分界層(30)，該分界層是經(jīng)過(guò)選擇的，以增強(qiáng)靠近所說(shuō)隔離層(14)和所說(shuō)第一鐵磁層(12)之間的一分界處的第一鐵磁層(12)的磁極化特性。
18.如權(quán)利要求17所述的隧道結(jié)(10)，它還包括第二鐵磁層(16)；位于所說(shuō)隔離層(14)和所說(shuō)第二鐵磁層(16)之間的薄分界層(32)，該分界層是經(jīng)過(guò)選擇的，以增強(qiáng)靠近所說(shuō)隔離層(14)和所說(shuō)第二鐵磁層(16)之間的一分界處的第二鐵磁層(16)的磁極化特性。
19.如權(quán)利要求18所述的隧道結(jié)(10)，其特征在于所說(shuō)薄分界層(30-32)分別是厚度小于4毫微米的鐵磁材料層。
20.用于形成一個(gè)隧道結(jié)(10)的一種方法，該方法包括以下步驟形成一第一鐵磁層(12)；在所說(shuō)第一鐵磁層(12)之上形成一第一薄分界層(30)；在所說(shuō)第一薄分界層(30)之上形成一隔離層(14)，其中所說(shuō)第一薄分界層(30)增強(qiáng)了靠近所說(shuō)第一鐵磁層(12)與所說(shuō)隔離層(14)之間的一分界面的第一鐵磁層(12)的磁極化特性。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于它還包括以下步驟在所說(shuō)隔離層(14)之上形成一第二薄分界層(32)；在所說(shuō)第二薄分界層(32)上形成一第二鐵磁層(16)，其中所說(shuō)第二薄分界層增強(qiáng)了靠近所說(shuō)隔離層(14)與所說(shuō)第二鐵磁層(16)之間的一分界面的第二鐵磁層(16)的磁極化特性。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于形成所說(shuō)第一和第二薄分界層(30-32)的步驟分別包括形成厚度小于4毫微米的鐵磁材料層的步驟。
全文摘要
本具有增大其磁阻的構(gòu)形和/或分界層30—32的一種隧道結(jié)10。這種隧道結(jié)10的構(gòu)形使來(lái)自具有強(qiáng)極化的鐵磁晶粒區(qū)域的自旋隧道效應(yīng)最強(qiáng),而使在晶粒邊界處的缺陷散射效應(yīng)最弱。分界層30—32增強(qiáng)了隧道結(jié)10中靠近與隔離層14的分界面的鐵磁層的磁極化特性。
文檔編號(hào)H01F10/08GK1222771SQ98122589
公開日1999年7月14日 申請(qǐng)日期1998年11月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月6日
發(fā)明者T·C·安東尼 申請(qǐng)人:惠普公司