磁阻器件的製作方法

2023-05-13 21:06:06

專利名稱：磁阻器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁阻器件，特別是涉及一種自由層或被釘扎層採用了金屬間化合物或金屬間合金的磁阻器件。
背景技術：
由於在高真空狀態中的超薄膜澱積技術的迅速發展，現在，生長和製造厚度僅為幾納米的，處於自旋-自旋相互作用範圍量級的磁性薄膜已經成為了可能。因此，發現了很多在體磁性材料中未發現的現象，而且，這些現象即將被應用到諸如家用電器和工業零件的各種技術當中，例如用於在超高密度信息存儲媒質或磁性隨機存取存儲器(MRAM)上記錄信息的磁性記錄頭。
在磁阻器件中，電阻會隨磁能而變化。就檢測記錄在諸如硬碟驅動器(HDD)上的信息的磁阻頭而言，巨磁阻(GMR)頭和隧道磁阻(TMR)頭得到了廣泛應用。
GMR結構通常是由一系列的鐵磁體(被釘扎層)/金屬非磁體(分隔層)/鐵磁體(自由層)形成的。該結構利用了當電子穿越鐵磁層時，阻值根據兩個磁性層的自旋分布而變化的原理。這一現象可以由自旋相關散射來解釋。此外，TMR結構通常是由一系列鐵磁體/絕緣層(隧道阻擋層)/鐵磁體形成的。在這一結構中，將絕緣層插入到了兩個鐵磁體之間，使得隧穿電流隨鐵磁體的相對磁方向而變化。就利用了GMR現象的MRAM而言，由於磁阻隨磁方向的變化相對較小，所以電壓差不大。
圖1是說明傳統TMR器件10的橫截面圖。固定第一鐵磁層13的電子自旋的反鐵磁層12形成於襯底11上，作為被釘扎層的第一鐵磁層13、隧道阻擋層14和作為自由層的第二鐵磁層15依次形成於反鐵磁層12上。傳統TMR器件10利用了隧穿電流隨鐵磁層相對磁方向而變化的原理。這裡，固定了第一鐵磁層13的自旋方向的反鐵磁層12(釘扎層)是由反鐵磁材料形成的。
如果在第一鐵磁層13(被釘扎層)的磁自旋與第二鐵磁層15的磁自旋方向(自由層)相反時施加一電流，那麼，由於TMR器件的高磁阻，僅有少量電流流過阻擋層。相反，當被釘扎層的磁自旋方向與自由層的磁自旋方向相同時，由於磁阻小，會有更大的電流通過。這時，磁阻(MR)率可由公式1給出[公式1] 其中，P1表示被釘扎層13的自旋極化，P2表示自由層15的自旋極化。在MR比高的情況下，由於被釘扎層13和自由層15的自旋可以得到清晰的區分，因而能夠實現高性能的磁阻器件。
如上所述，高MR比對於改善磁阻器件的性能是非常重要的。在傳統磁阻器件中，採用CoFe或NiFe作為形成諸如自由層和被釘扎層的鐵磁層的磁性材料。但是，為了製造更為高度集成且性能更高的器件，要求磁阻材料具有更高的MR比。

發明內容
本發明提供了一種具有高MR比的磁阻器件，該器件採用了未在傳統磁阻器件中應用過的磁阻材料。
根據本發明的一個方面，提供一種磁阻器件，其中依次形成一釘扎層、一被釘扎層、一非磁性層和一自由層，並且，該自由層是由金屬間化合物形成的。
這裡，被釘扎層和釘扎層之一或兩者也可由金屬間化合物形成。
該金屬間化合物優選具有X2YZ的一般結構式，其中X為Co或從Cu族選出的金屬元素，Y是從由Mn、V、Ti、Ni以及Hf構成的組中選出的，作為3A或4A族材料，Z是從由Al、Si、Ga、Ge、Sn和Sb構成的組中選出的。
該金屬間化合物優選包含至少一種從由PtMnSb、NiMnSb、CuMnSb、PdMnSb、PtFeSb、PtCrSb和PhMnSb構成的組中選出的材料。
根據本發明的另一方面，提供一種磁阻器件，其中依次形成了一釘扎層、一被釘扎層、一非磁性層和一自由層，而且該被釘扎層是由金屬間化合物形成的。


通過參照附圖，對本發明的示範性實施例子以詳細說明的方式，本發明的上述特徵和優勢會變得更加明顯，其中圖1是說明傳統磁阻器件的橫截面圖；圖2A和2B是分別說明根據本發明的第一實施例和第二實施例的磁阻器件的橫截面圖；圖3是說明一金屬間化合物的晶體結構的示意圖；圖4是說明根據本發明形成磁阻器件中的金屬間化合物的方法的示意圖。
圖5A是顯示根據本發明第一實施例的磁阻器件的X射線衍射數據的圖形；圖5B和圖5C是根據本發明第一實施例的金屬間化合物層的TEM圖像；以及圖5D是MR測量值與施加到根據本發明第一實施例的磁阻器件上的磁場強度的關係圖。
具體實施例方式
現在，將參照說明本發明示範性實施例的附圖，對本發明進行更加全面地說明。
圖2A是根據本發明第一實施例的磁阻器件的橫截面圖。
參照圖2A，釘扎層22、被釘扎層23、非磁性層24以作為隧道阻擋層和自由層25依次形成於襯底21上。該磁阻器件具有與傳統隧穿磁阻器件相同的基本結構。但是，根據本發明，被釘扎層23和自由層25之一或兩者由金屬間化合物形成。這裡，如果被釘扎層23不是由金屬間化合物形成的，則可以由傳統鐵磁材料或從IrMn合金、FeMn合金和NiMn合金中選出的傳統反鐵磁材料形成。
圖2B是根據本發明第二實施例的磁阻器件的橫截面圖。
參照圖2B，自由層25、非磁性層26以作為分隔層、被釘扎層23和釘扎層22依次形成於諸如Si晶片的襯底上。這是自旋電子管式GMR器件的基本結構。在傳統技術中，自由層25和被釘扎層23是由作為鐵磁材料的CoFe形成的。但是，本發明的一個方面就是自由層25和被釘扎層23是由金屬間化合物形成的。分隔層26可以由諸如銅的非磁性材料形成，這一點和傳統技術相同。在傳統磁阻器件中，釘扎層22通常是由含Mn合金，諸如IrMn合金、FeMn合金，即反鐵磁材料形成的。釘扎層22固定被釘扎層23的磁方向。但是，在本發明中，釘扎層22可以由金屬間化合物形成，而不是由傳統的反鐵磁材料形成。
具有上述結構的磁阻器件的運行如下。這裡，將參照圖2B對自旋電子管式磁阻器件予以說明。
在將外部磁場施加到這一磁阻器件上時，自由層25的磁化方向會隨著被釘扎層23的磁方向變化。因此，被釘扎層23和自由層25之間的磁阻會發生變化。通過這樣的磁阻變化，可以檢測到以磁的方式存儲在諸如MRAM信息存儲器件或諸如HDD的磁記錄媒質中的信息。因此，可以通過檢測自由層25和被釘扎層23之間的磁阻讀取記錄在磁記錄媒質上的信息。這時，必須保持MR比(磁阻變化量比最小器件磁阻)和交換約束力，即反鐵磁層施加的固定被釘扎層的磁化方向的力的穩定。
如上所述，在本發明中，被釘扎層23、自由層25或釘扎層22是由金屬間化合物或金屬間合金形成的。
現在，將對金屬間化合物或金屬間合金進行更加詳細的說明。該金屬間化合物或金屬間合金的一般結構式為X2YZ，其中，X為Co族或Cu族的金屬元素，Y為Mn、V、Ti、Ni或Hf。Z是諸如Al、Si、Ga、Ge、Sn或Sb的3A或4A族的反鐵磁材料。Co2MnSi、Cu2MnAl、Cu2MnSn和Co2TiSn均為金屬間化合物的實例。
圖3是具有所述金屬間化合物的所述結構式(X2YZ)的晶體的示意圖。以Co2MnSi為例，Co位於位置A和B，Mn位於位置C，Si位於位置D。
所述金屬間化合物的替代結構式為XYZ。PtMnSb、NiMnSb、CuMnSb、PdMnSb、PtFeSb、PtCrSb和PhMnSb均為具有XYZ結構式的金屬間化合物的實例。
通過澱積具有上述結構的金屬間化合物來製造磁阻器件的工藝，可以利用在磁阻器件的製作中用於澱積鐵磁層的傳統工藝。但是，由於這一過程工藝的生產率低，並且在控制組分方面存在困難，所以，這不是一種有效地製造金屬間化合物的工藝。例如，在採用濺射工藝在襯底上澱積金屬間化合物層時，由於金屬間化合物易碎，所以很難把金屬間化合物製成單一靶材。所以，優選利用共同濺射工藝澱積金屬間化合物。該共同濺射工藝通過在安裝了濺射工藝中構成各個靶材的目標材料後控制澱積速度，使得具有理想組分的金屬間化合物層能夠澱積在襯底上。
圖4是說明通過共同濺射在襯底上澱積金屬間化合物的示意圖。這裡，以Cu2MnAl為例，Cu、Mn和Al分別組成Cu靶材41a、Mn靶材41b和Al靶材41c。採用放置在距離襯底42預定距離處的成形靶材，對安裝在襯底支架43上的襯底42進行濺射。工藝條件，例如壓力、溫度和澱積速度可以被控制，從而生產具有期望特性的薄膜。為了生產根據本發明實施例的磁阻器件，加工壓力約為10-3託，溫度為200-400℃。Cu、Mn和Al的濺射速度分別為83/min、44/min和57/min。可以通過傳統的澱積方法形成其他絕緣層(隧穿阻擋層)和分隔層。通常，在形成整個磁阻器件後，可以就地執行熱處理過程。
圖5A是一磁阻器件的X射線衍射(XRD)數據的圖像表示，根據本發明的第一實施例，在該磁阻器件中，自由層25是由金屬間化合物形成的。為了清晰起見，在溫度為250℃、300℃和400℃左右時獲得的數據分別沿y軸方向平移了+100、+200和+300個單位，以便在數據組之間提供一些距離。
參照圖5A，在角度為33°、62°和68°時出現的峰值顯示了Si襯底的特徵。在角度為25°時出現的峰值為111超晶格方向的峰值，在角度為42°時出現的峰值表示200金屬間化合物的某一方向的晶體結構中每種組分的無序特徵。當超晶格峰出現時，就認為很好地形成了薄磁膜。隨著襯底溫度的升高，在角度為26°左右出現的超晶格峰會顯著增大，並且角度為42°左右出現的薄磁膜的無序特徵會減小。
圖5B和圖5C是根據本發明的磁阻器件的鐵磁層和絕緣層之間的界面的剖面的TEM圖像。在這些圖片中，Co2MnSi層和AlOx層之間的界線清晰可見。
圖5D是顯示利用VSM設備測得的，根據本發明製造的磁阻器件的磁特性的圖形。如圖5D所示，該磁阻器件的MR比超過30％。
MR比是通過公式1計算的。通常用於磁阻器件的，諸如NiFe、Co或CoFe的鐵磁材料具有40-50％左右的極化度(polarization degree，P＝0.4-0.5)。但是，就金屬間化合物而言，極化度接近100％(P＝1.0)。因此，當自由層和被釘扎層均由金屬間化合物形成時，從理論上來講，MR比趨於無窮大。當自由層和被釘扎層中只有一個由金屬間化合物形成時，P1＝1，P2＝0.5，因此MR比約為200％。儘管這些理論數值是以理想條件為基礎的，並且與實驗測得的數值差異很大，但這些理論數值表明，如果自由層或被釘扎層是由適當沉積的金屬間化合物形成的，那麼可以獲得非常大的MR比。
儘管已經參照本發明的示範性實施例對本發明進行了特別地展示和說明，但是本領域的普通技術人員應該理解的是，在不背離如下述權利要求定義的本發明的精神和範圍的情況下，在其外形和細節上可做出各種變化。
根據本發明，通過採用與傳統材料不同的金屬間化合物或金屬間合金，用以形成自由層、被釘扎層和釘扎層中的至少一個，可以得到提高的MR比。因此，靈敏度裕量會得到顯著提高。並且，就磁阻頭而言，高MR比能夠開啟高密度記錄媒質發展的大門。
權利要求
1.一種磁阻器件，其中，依次形成了一釘扎層、一被釘扎層、一非磁性層和一自由層，並且，所述自由層是由一金屬間化合物形成的。
2.如權利要求1所述的磁阻器件，其中，所述被釘扎層是由一金屬間化合物形成的。
3.如權利要求2所述的磁阻器件，其中，所述釘扎層是由一金屬間化合物形成的。
4.如權利要求1所述的磁阻器件，其中，所述釘扎層是由一金屬間化合物形成的。
5.如權利要求1至4中的任何一項所述的磁阻器件，其中所述金屬間化合物具有X2YZ的一般結構式，其中，X是從鈷(Co)族或銅(Cu)族選出的金屬，Y是從由錳(Mn)、釩(V)、鈦(Ti)、鎳(Ni)以及鉿(Hf)構成的組中選出的，而Z作為IIIA或IVA族材料，是從由鋁(Al)、矽(Si)、鎵(Ga)、鍺(Ge)、錫(Sn)和銻(Sb)構成的組中選出的反鐵磁材料。
6.如權利要求1至4中的任意一項所述的磁阻器件，其中所述金屬間化合物包含至少一種從由PtMnSb、NiMnSb、CuMnSb、PdMnSb、PtFeSb、PtCrSb和PhMnSb構成的組中選出的材料。
7.一種磁阻器件，其中，依次形成了一釘扎層、一被釘扎層、一非磁性層和一自由層，並且，所述被釘扎層是由一金屬間化合物形成的。
8.如權利要求7所述的所述磁阻器件，其中，所述釘扎層是由一金屬間化合物形成的。
9.如權利要求7所述的磁阻器件，其中，所述金屬間化合物具有X2YZ的一般結構式，其中，X為鈷(Co)或從銅(Cu)族選出的金屬元素，Y是從由錳(Mn)、釩(V)、鈦(Ti)、鎳(Ni)以及鉿(Hf)構成的組中選出的，而Z作為3A或4A族材料，是從由鋁(Al)、矽(Si)、鎵(Ga)、鍺(Ge)、錫(Sn)和銻(Sb)構成的組中選出的反鐵磁材料。
10.如權利要求7所述的磁阻器件，其中，所述金屬間化合物包含至少一種從由PtMnSb、NiMnSb、CuMnSb、PdMnSb、PtFeSb、PtCrSb和PhMnSb構成的組中選出的材料。
全文摘要
提供了一磁阻器件，其中，依次形成了一釘扎層、一被釘扎層、一反鐵磁層和一自由層，並且，所述自由層是由金屬間化合物形成的。所述磁阻器件提供了高MR比，因而，提高了靈敏度裕量。
文檔編號G11B5/39GK1649028SQ20051000641
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月31日 優先權日2004年1月31日
發明者金泰完, 金起園, 權純宙, 樸祥珍 申請人:三星電子株式會社