製造自旋閥結構的方法
2023-06-01 23:28:06
專利名稱：製造自旋閥結構的方法
技術領域：
本發明涉及一種製造巨磁阻(GMR)型自旋閥結構的方法，該結構包括一磁性層、一非磁性層和一鐵磁材料傳感層的疊層。
自旋閥結構是一種具有磁阻效應的磁性多層結構。這意味著這樣一種結構的阻力在外部磁場的影響下變化。在自旋閥結構的情況下，磁阻效應通常被稱為巨磁阻(GMR)效應。現在的許多磁碟器件將自旋閥結構用作傳感元件。這些結構也被應用於其它技術領域的器件中，如用於自動傳感器和磁性RAM中。
只有自旋閥結構的磁性層/非磁性層/傳感層部分對GMR效應有貢獻，因而是該結構的活性區域。自旋閥結構的其它區域即非活性區域可以分流來自所述活性區域的電流。該結構中存在的一些界面層可通過引入非鏡面反射即電子被散射而降低GMR效應，導致它們自旋信息的丟失。
一篇由C-7803-5555-5/99，IEEE，DB-01頁標識的，Y.Kamiguchi等人的題目為「具有納米氧化物層的Co Fe鏡面自旋閥」(Co Fespecular spin valves with nano oxide layer)的文章，公開了一種巨磁阻型自旋閥結構。這篇文章討論了以下實例SiO結構(structrate)/Ta 5nm/NiFe2nm/IrMn 7nm/具有NOL的被釘扎層/Cu 2nm/CoFe 2nm/CoFeO 4nm/TaO 0.4nm。在該實例中自旋閥結構是一個具有用於交換偏置的金屬反鐵磁性材料的CoFe鏡面結構。該結構具有一包含用於增強鏡面電子散射的納米氧化物層(NOL)的被釘扎層。該實例用磁控濺射澱積。
在所述I EEE文章公開的自旋閥結構中，活性區域包括具有NOL的被釘扎層，Cu層和CoFe層，其中NOL用於反射電子。
本發明的一個目的在於提供一種方法，藉此方法可能實現一種具有用於鏡面反射位於傳感層處的電子的有效裝置的自旋閥結構。
本發明的這個目的藉助按照在權利要求1中規定的本發明的方法，即一種製造巨磁阻型自旋閥結構的方法實現，該結構包含一磁性層、一非磁性層和一鐵磁材料傳感層的疊層，該方法包括以下步驟氧化傳感層鐵磁材料的步驟，隨之以在被氧化的傳感層鐵磁材料上澱積鋁的步驟，其後利用被氧化的傳感層鐵磁材料中的氧將該鋁氧化成氧化鋁膜。這樣通過依次在傳感層上形成輔助氧化物膜、在該輔助氧化物膜上形成金屬Al層以及利用輔助氧化物膜中的氧將該Al層的鋁氧化，形成Al氧化物膜。通常，所述各層均為薄膜層。每層可以是單層或可具有多層結構。磁性層可藉助各種手段將磁化固定或釘扎本身是已知的。適於形成磁性層的材料例如是一種CoFe合金。非磁性層可以由Cu形成。傳感層的磁化不受外部施加磁場的影響。優選，選擇金屬Co、CoFe合金或NiFe合金作為形成傳感層的鐵磁材料。由於Al的電負性比Co或Fe大，在Al的氧化過程中，輔助氧化物分別被還原成金屬Co、CoFe和NiFe，並形成Al氧化物。
已經證實用上述方式形成的氧化鋁是一種封閉氧化物並且生成尖銳界面，該界面提供一種鏡面反射並因此而不幹擾結構中活性區域的電子自旋機制，導致形成一個明顯改善的MR信號。約2nm的Al氧化物層看來是一個防止傳感層氧化的優良的保護，使得可以施加超薄傳感層。由於對高靈敏度的需求，這種傳感層是高密度磁記錄所需要的。測量顯示所得結構的矯頑力相對較低，約為15Oe，並且幾乎與溫度無關。根據本發明的方法可以使用已知的薄膜技術。
應當注意，一篇由O-7803-5943-74/00，IEEE，FA-07頁標記的，Y.Shimizu等人的題目為「具有用鏡面氧化物蓋層覆蓋的超薄自由層的底型自旋閥膜的GMR特性的增強」(Enhancement of GMRproperties of bottom type spin valve films with ultrathin freelayer covered withs pecular oxide capping layer)的文章，公開了一種覆蓋有Al氧化物蓋層的CoFeB自由層，Al氧化物蓋層是通過純Ar氣濺射Al2O3靶形成的。從該文已知的方法完全不同於本專利文件中所描述的方法，因為沒有形成作為形成Al氧化物的氧源的輔助氧化物。由於在用已知方法得到的器件中不存在來自輔助氧化物的氧化作用，並且可能出現界面混合，因此該已知方法得不到根據本發明方法獲得的效果。
還應注意，一篇由IEEE Transactions on Magnetics，第35卷，第5期，1999年9月，第2946-2948頁標記的；Masashige Sato等人的題目為「鐵磁隧道結的界面氧化效應」(Effects of interfaceoxidation in ferromagnetic tunnel juctions)的文章，公開了具有被氧化的Al阻擋層的隧道結。在所公開的實例中，一個隧道結磁阻(TMR)器件的底部Co層的表面，在澱積Al之前，被暴露在空氣中，其後在射頻氧等離子體中氧化所形成的Al層。在所述文章中，假定被氧化的Co表面用作一個擴散阻擋層，而未被氧化的Al層藉助退火被來自於已氧化的Al和已氧化的Co的氧原子氧化。關於在最後提到的文章中公開的有關方法、器件及效果的所有知識都限於TMR結構；從該文章中不能推論出涉及GMR結構的信息。
本發明還涉及由根據本發明的方法獲得的一種自旋閥結構。因此，根據本發明的自旋閥結構在傳感層處有界面氧化。通常，該結構可提供有如在首先提到的IEEE文章中所公開的具有NOL的被釘扎層。
本發明還分別涉及一種讀出磁頭、一種場傳感器(field sensor)和一種磁性存儲器，它們分別備有一個由或可由根據本發明的方法得到的巨磁阻型自旋閥結構。
本發明還涉及一種用於從磁性存儲介質中讀取信息的裝置，該裝置包含根據本發明讀出磁頭。
本發明還涉及一種包含根據本發明的磁性存儲器的電子電路。
關於權利要求，應注意在權利要求組中規定的不同特徵可結合出現。
藉助非限制性實例，參考下文描述的實施例，本發明的上述及其它方面是顯而易見的並將被圖解說明。
附圖中
圖1是根據本發明的自旋閥結構的實施例的示意性橫截面圖，圖2是根據本發明的讀出磁頭的實施例的示意性透視圖，圖3示意性示出根據本發明的裝置的實施例，圖4是根據本發明的磁性存儲器的實施例的示意性透視圖。
圖5是根據本發明的電子電路的實施例的示意圖。
圖1示意性示出自旋閥結構1，它提供有由基片3支撐的基本上平行的層的疊層。基片3可包括非磁性、非導電材料，如Si，並可以是晶片的一部分。該疊層包含多個層，其中兩層分別為Ta層5和NiFe層7，用作籽晶層並為疊層的IrMn層9提供一個正確的結晶織構。層9是反鐵磁體，它是一個釘扎層，用來釘扎是結構的被釘扎層的疊層的CoFe的磁性多層11a和11b的磁化。為將電子限制在該結構的活性層中，在層11a和11b之間存在一個CoFeOx反射層13，也稱為NOL。反射層13是由CoFe氧化而成。換句話說，可以使用包含鐵磁性元素和更大電負性元素的合金。疊層中的Cu層15用於斷開被釘孔層和傳感層17間的交換耦合，該實例中傳感層17是CoFe鐵磁層，並且是疊層的一部分。在傳感層17上，藉助根據本發明的方法已形成一個特殊的氧化層19。按照該方法，在傳感層17形成後，該層的鐵磁材料膜被氧化成一種氧化物，在該實例中被氧化成CoFe氧化物，此後例如藉助濺射的方法，在被氧化的層17上澱積Al以在該層上形成Al膜，接著進行澱積的Al的氧化處理，在該處理過程中，來自被氧化的層17的氧被用來形成氧化層19，在該實例中，氧化層19為具有封閉結構並且和傳感層17形成尖銳界面的Al氧化物層。
如圖1所示並配備必要連接墊的自旋閥結構1可以被用作一個場傳感器，特別是一個GMR傳感器。這類傳感器特別適用於汽車和工業應用。實例是數字位置傳感器和模擬角度傳感器。
圖2表示出一個磁性讀出磁頭的一部分。該讀出磁頭包含一個帶有電連接100的換能器T。該換能器T包含一個根據本發明的自旋閥結構的實施例，例如如圖1所示的實施例。讀出磁頭包含磁導102、104，它們相對於換能器T定位以便形成一個磁路。磁導102、104具有形成磁頭的極面的端面102a、104a，和位於所述端面間的磁隙106。如果一種磁介質如磁帶、磁碟或磁卡，極為接近地移動經過端面102a、104a，該介質上的磁存儲信息將在上述提到的磁路中產生一個變化的磁通量，該磁通量也經過換能器T。換能器T將變化的磁通量轉化成電阻變量，該電阻變量可以通過連接於電連接100的適當測量儀器測量。這種磁頭也可以包含一個可用於在磁介質上記錄磁信息的感應線圈。
圖3示出一個根據本發明的裝置的實施例。該裝置包含框架200和一個可旋轉地安裝在框架200中的心軸202用於支撐碟片狀信息載體204，如硬碟或磁光碟。信息載體204可以是整體載體或可拆卸載體。該裝置還包含一個擺動臂206，它通過一個彎曲206a支撐根據本發明的此處被標示為數字208的讀出磁頭的實施例。提供驅動器用於驅動心軸202和擺動臂206。在工作狀態，磁頭208掃描旋轉的信息載體204，該磁頭相對於信息載體204布置，並相對於載體204基本上徑向運動。所示裝置可以是數據存儲系統、聲頻系統或視頻系統的一部分。根據本發明的裝置也可以是用於從磁帶或磁卡讀取信息的裝置。
圖4公開了根據本發明的磁性存儲器的一個實施例。該存儲器包含存儲元件302、字線302和位線306來選擇特定的存儲元件。每個存儲元件302包含一個根據本發明的在此由數字300表示的自旋閥結構的實施例。位線206中的存儲元件302可由低電阻非磁性金屬308例如Cu被彼此分開。
雖然已參考優選實施例對本發明進行了顯示和描述，但本領域技術人員將理解，在不偏離本文件中公開的本發明的範圍和宗旨的情況下，可以對本發明的形式、細節和/或材料做各種變動或修改。特別地，除本發明提及的鐵磁材料以外的鐵磁材料可適用於傳感層。此外，根據本發明的方法獲得的自旋閥結構可以有多種應用，本發明的方法可以包含本身已知的薄膜技術。
權利要求
1.一種製造巨磁阻型自旋閥結構的方法，該結構包含一磁性層、一非磁性層和一鐵磁材料傳感層的疊層，該方法包含這些步驟，氧化傳感層鐵磁材料的步驟，隨之以在被氧化的傳感層鐵磁材料上澱積鋁的步驟，其後利用被氧化的傳感層鐵磁材料的氧將該鋁氧化成氧化鋁膜。
2.根據權利要求1的方法，其中選擇金屬Co、CoFe合金或NiFe合金作為形成傳感層的鐵磁材料。
3.一種根據權利要求1或2的方法獲得的巨磁阻型自旋閥結構。
4.一種配備有可通過根據權利要求1或2的方法獲得的自旋閥結構的讀出磁頭。
5.一種配備有可通過根據權利要求1或2的方法獲得的自旋閥結構的場傳感器。
6.一種配備有可通過根據權利要求1或2的方法獲得的自旋閥結構的磁性存儲器。
7.一種從磁性存儲介質讀取信息的裝置，該裝置包含根據權利要求4的讀出磁頭。
8.一種包含根據權利要求6的磁性存儲器的電子電路。
全文摘要
本發明涉及一種製造GMR型自旋閥結構(1)的方法。這樣一種結構包括一磁性層(11a 11b)、一非磁性層(15)和一鐵磁材料傳感層(17)的疊層。為了獲得具有很好GMR效應的自旋閥結構，該方法包括下列特定步驟傳感層鐵磁材料的氧化；在被氧化的鐵磁材料上澱積鋁；利用來自被氧化的鐵磁材料的氧氧化被澱積的鋁。
文檔編號H01L27/22GK1393022SQ01802787
公開日2003年1月22日 申請日期2001年9月5日 優先權日2000年9月18日
發明者M·F·吉利斯, A·E·T·凱珀 申請人:皇家菲利浦電子有限公司