隧道磁阻效應膜和磁性裝置的製作方法

2023-11-04 11:37:57

專利名稱：隧道磁阻效應膜和磁性裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及隧道磁阻效應膜(tunnel magnetoresistance effect film)和 採用所述隧道磁阻效應膜的磁性裝置。
背景技術：
磁碟裝置的磁頭包括寫磁頭，其在記錄介質上寫數據；和讀磁頭， 其從記錄介質讀取已寫入的數據。讀磁頭具有磁阻效應元件，磁阻效應 元件的阻值基於記錄介質上記錄的磁化信號而變化。磁阻效應元件(讀 元件)包括其中磁性層和非磁性層相層疊的磁阻效應膜。TMR (隧道磁 阻)元件具有"磁性層/隧道勢壘層/磁性層"的膜結構。S卩，其特徵在於， 隧道勢壘層夾在磁性層之間。在TMR元件中，感應電流垂直於磁阻效應 膜的表面地通過，以檢測阻值的變化。其中夾著隧道勢壘層的磁性層的磁化方向平行的磁阻效應膜的阻值 不同於其中夾著隧道勢壘層的磁性層的磁化方向反向平行的磁阻效應膜 的阻值。通過平行情況(P)的阻值和反向平行情況(AP)的阻值的增加 率來定義MR比率。也就是說，MR比率- (Rap-Rp) /RPX100。在常規的TMP型磁阻效應膜的情況中，反向平行情況(其中夾著隧 道勢壘層的磁性層的磁化方向為反向平行)的阻值比平行情況(其中夾 著隧道勢壘層的磁性層的磁化方向為平行)的阻值大。即，磁阻效應膜 具有正MR比率的特性。另一方面，已經報導了具有負MR比率(反MR)的材料(參見Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 4288; Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 616;以及Phys， Rev. Lett. 90 (2003) 186602)。在上述材料的每一個中，平行情況(其中夾著 隧道勢壘層的磁性層的磁化方向為平行)的阻值比反向平行情況(其中 夾著隧道勢壘層的磁性層的磁化方向為反向平行)的阻值大。具有負MR比率特性的磁阻效應膜的MR比率比具有正MR比率特性的磁阻效應膜 的MR比率小，但其特性將應用於新的磁性裝置。注意，文獻Phys.Rev. Lett. 82 (1999) 4288揭示了具有負MR比率特性的磁阻效應膜，其膜結 構為Co/SrTiO/LaSrMnO;文獻Phys. Rev. Lett 82 (1999) 616揭示了具 有負MR比率特性的磁阻效應膜，其膜結構為NiFe/TaAlO/NiFe;文獻Phys, Rev. Lett. 90 (2003) 186602揭示了具有負MR比率特性的磁阻效應膜， 其膜結構為M/NiO/Co。如上所述，已經報導了一些具有負MR比率特性的磁阻效應膜。但 是，在其膜結構為Co/SrTiO/LaSrMnO的磁阻效應膜的情況中，MR比率 很大，例如-50%，但是LaSrMnO的磁性層為氧化層並且工作溫度很低， 例如5K。另夕卜，在其膜結構為NiFe/TaAlO/NiFe的磁阻效應膜的情況中， 可採用常規磁阻效應膜中所使用的材料，但是MR比率較小，例如-4%。 在其膜結構為Ni/NiO/Co的磁阻效應膜的情況中，可採用常規磁阻效應 膜中所使用的材料，但元件尺寸很小，例如60nm或更小，並且工作溫 度很低，例如4.2K。由於具有負MR比率特性的常規磁阻效應膜的MR比率較小，因此 它們不能代替具有大MR比率的常規膜而用於磁頭。此外，工作溫度非 常低，因此不能用於實用裝置。發明內容構思了本發明以解決上述問題。本發明的目的是提供一種高度實用的隧道磁阻效應膜以及採用該隧 道磁阻效應膜的磁性裝置，所述隧道磁阻效應膜具有可工作的負MR比 率的特性，可在室溫下使用。為了實現上述目的，本發明具有以下結構。艮P，本發明的隧道磁阻效應膜包括隧道勢壘層；和夾著隧道勢壘 層的磁性層，並且磁性層之一為FeN層。在隧道磁阻效應膜中，另一個磁性層可以為其磁化方向固定的固定 磁性層(pinnedmagnetic layer)。通過這種結構，當外部磁場對其作用時，一個磁性層的磁化方向發生變化，從而可將外部磁場檢測為隧道磁阻效 應膜的阻值變化。在隧道磁阻效應膜中，固定磁性層可由第一固定磁性層和第二固定 磁性層構成，第一固定磁性層和第二固定磁性層通過反鐵磁耦合層而耦 合。另外，可靠近固定磁性層地形成反鐵磁層，所述反鐵磁層可以交換連接(switch-connect)固定磁性層，以固定固定磁性層的磁化。通過這 些結構，可以穩定地保持磁性層的磁化方向。本發明的磁性裝置包括隧道磁阻效應膜，所述隧道磁阻效應膜包括 隧道勢壘層；和夾著隧道勢壘層的磁性層，並且磁性層之一為FeN層。 例如，可將本發明的磁性裝置應用到磁頭(其中將隧道磁阻效應膜用作 讀磁頭的讀元件的磁阻效應膜)和磁存儲器。另一磁性裝置包括第一隧道磁阻效應膜部，其包括固定磁性層、 隧道勢壘層和具有正MR比率特性的磁性層；和第二隧道磁阻效應膜部，其包括固定磁性層、隧道勢壘層和具有負MR比率特性的磁性層，並且 第二隧道磁阻效應膜部的具有負MR比率特性的磁性層為FeN層。在磁性裝置中，各個固定磁性層可由第一固定磁性層和第二固定磁 性層構成。此外，可以靠近各個固定磁性層形成反鐵磁層，並且所述反 鐵磁層可以交換連接各個固定磁性層，以固定所述固定磁性層的磁化。在磁性裝置中，公共固定磁性層可用作第一隧道磁阻效應膜部和第 二隧道磁阻效應膜部的固定磁性層，並且第一隧道磁阻效應膜部的隧道 勢壘層和磁性層與第二隧道磁阻效應膜部的隧道勢壘層和磁性層可分離 地形成在公共固定磁性層上。通過這種結構，例如，可將磁性裝置用作 存儲元件。另外，在磁性裝置中，第一隧道磁阻效應膜部和第二隧道磁阻效應 膜部可串聯連接在地和源極之間，固定磁性層可連接到柵極，並且可將 由外部磁場引起的輸入信號反相檢測為柵極的反相輸出信號。通過這種 結構，可將磁性裝置用作反相器的邏輯電路。本發明的隧道磁阻效應膜在室溫下具有很大的負MR比率，例如 -30%，因此可利用負MR比率特性將其應用到實用產品，例如磁存儲器。另外，本發明的磁性裝置可用在室溫下，並且容易處理，因此可以產生 實用的磁性裝置。


現在參照附圖通過實施例對本發明的實施方式進行說明，在附圖中: 圖1A是採用本發明的隧道磁阻效應膜的讀元件的說明圖； 圖1B是常規讀元件的說明圖；圖2A是示出了本發明的隧道磁阻效應膜的負MR比率的曲線圖； 圖2B是示出了常規隧道磁阻效應膜的正MR比率的曲線圖； 圖3是釆用具有負MR比率的隧道磁阻效應膜的說明圖； 圖4是圖3中所示的磁性裝置的邏輯電路；以及 圖5是解釋圖3中所示的磁性裝置的操作的說明圖。
具體實施方式
現在參照附圖對本發明的優選實施方式進行詳細說明。 (隧道磁阻效應膜的結構)圖1A和1B示出了磁頭的讀元件的結構，其各自具有隧道磁阻效應 膜。圖1A示出了具有本發明的隧道磁阻效應膜的讀元件20;圖1B為具 有常規隧道磁阻效應膜的常規讀元件21的說明圖。在圖1A中所示的讀元件21中，在襯底IO (其由AlTiC構成)上依 次形成有基層11 (由第一基層lla和第二基層llb構成)、FeN (氮化鐵) 層12 (其為磁性層)、隧道勢壘層13 (其為絕緣層)、固定磁性層14、反 鐵磁層16和覆蓋層17。注意，固定磁性層14由第一磁性層14a、反鐵 磁耦合層15和第二磁性層14b組成。在讀元件20中，本發明的隧道磁阻效應膜30由FeN層12、隧道勢 壘層13和第一磁性層14a組成。隧道勢壘層13夾在FeN層12和第一磁 性層14a之間。FeN層12為自由層，其磁化方向可隨著外部磁場而改變， 第一磁性層14a用作固定層，其磁化方向預先固定。層疊在固定磁性層14上的反鐵磁層16交換連接到第二磁性層14b，從而固定第二磁性層14b的磁化方向。由於第一磁性層14a和第二磁性 層14b是反鐵磁耦合的，因此可以穩定地固定第一磁性層14a的磁化方 向。可以將各種膜結構用於讀元件20，可以將各種材料用於這些層。對 圖1A中所示的膜結構的實施例進行說明。第一基層lla由其厚度為2 nm的MgO構成；第二基層lib由其厚 度為5 nm的Fe構成；FeN層12由其厚度為5 nm的Fe4N構成；隧道勢 壘層13由其厚度為2 nm的MgO構成;第一磁性層14a由其厚度為4 nm 的CoFeB構成；反鐵磁層15由其厚度為0.85 nm的Ru構成；第二磁性 層14b由其厚度為3 nm的Fe構成；反鐵磁層16由其厚度為7.5 nm的 Mnlr構成；覆蓋層17由其厚度為5nm的Ta構成。圖IB中所示的常規讀元件21具有常規TMR型磁阻效應膜。與圖 1A中所示的讀元件20相比，讀元件21的特徵點僅僅在於形成在隧道勢 壘層13之下的磁性層22。磁性層22用作讀元件21的自由層，並且其由 軟磁材料(例如NiFe)構成。在圖IB中所示的讀元件21中，隧道磁阻效應膜31由磁性層22、 隧道勢壘層13和第一磁性層14a構成。除了磁性層22夕卜，讀元件21的 膜結構和材料與圖1A中所示的讀元件20的膜結構和材料相同。圖1B中所示的讀元件21 (其具有TMR型磁阻效應膜)是典型的常 規實施例。另一方面，在圖1A中所示的讀元件20中，採用FeN層21 代替常規TMR型磁阻效應膜的磁性層22。圖2A是示出了本發明的隧道磁阻效應膜30的MR比率的曲線圖； 圖2B是示出了常規隧道磁阻效應膜31的MR比率的曲線圖。如圖2B中所示，在常規隧道磁阻效應膜31中，反向平行情況(其 中磁性層22和第一磁性層14a的磁化方向是反向平行的)的阻值比平行 情況(其中磁性層22和14a的磁化方向是平行的)的阻值大。即，磁阻 效應膜具有正MR比率的特性。另一方面，如圖2A中所示，在本發明的隧道磁阻效應膜30中，反 向平行情況(其中FeN層12和第一磁性層14a的磁化方向是反向平^[亍的)的阻值比平行情況(其中FeN層12和14a的磁化方向是平行的)的阻值 小。即，磁阻效應膜具有負MR比率的特性。根據試驗，結構為Fe4N(5 nm) /MgO (2nm) /CoFeB (4nm)的上述隧道磁阻效應膜在室溫下具有-30% 的MR比率。由於在室溫下可獲得高的負MR比率(例如，-30°/。)，因此可將本發 明的隧道磁阻效應膜用於磁頭的讀磁頭。通常，可通過提高MR比率的 絕對值來使磁頭的特性穩定。因此，在將具有負MR比率特性的隧道磁 阻效應膜用於磁頭的讀元件的情況中，需要具有更大MR比率的隧道磁 阻效應膜。(磁性裝置)作為本發明的磁性裝置的實施例，對其中採用具有負MR比率特性 的隧道磁阻效應膜的隨機存取存儲器進行說明。在圖3中，隨機存取存儲器由以下部分構成具有正MR比率特性 的隧道磁阻效應膜，在各膜中膜結構為Fe (磁性層)/MgO (隧道勢壘層) /CoFeB (磁性層)；和具有負MR比率特性的隧道磁阻效應膜，在各膜中 膜結構為FeN (磁性層)/MgO (隧道勢壘層)/CoFeB (磁性層)。在圖3中所示的磁性裝置中，Fe層44和FeN層46分別隔著隧道勢 壘層42形成在公共固定磁性層40 (其由CoFeB構成並用作公共磁性層) 上。Fe層44和FeN層46略微分開。由CoFeB構成的固定磁性層40為 鐵磁層，其磁化方向不隨外部磁場而變化，並且在磁化處理中預先固定 其磁化方向。另一方面，Fe層44和FeN層46的磁化方向隨外部磁場而 改變。為了固定所述固定磁性層40的磁化方向，可通過將多個固定磁性層 與反鐵磁耦合層進行層疊來形成固定磁性層40。另外，可對多個反鐵磁 層進行層疊，以通過交換連接功能來固定所述固定磁性層的磁化方向。隧道勢壘層42夾在固定磁性層40、 Fe層44和FeN層46之間。其 中形成有Fe層44的部分51是第一隧道磁阻效應膜部，其由固定磁性層 40、隧道勢壘層42和Fe層44構成；其中形成有FeN層46的部分52是 第二隧道磁阻效應膜部，其由固定磁性層40、隧道勢壘層42和FeN層46構成。具有FeN層46的第二隧道磁阻效應膜部52具有負MR比率特性； 具有Fe層44的第一隧道磁阻效應膜部51具有正MR比率特性。在圖3中，沒有顯示襯底，但是固定磁性層40、隧道勢壘層42、 Fe 層44和FeN層46是通過噴射形成在襯底上的。通過常規成膜處理可選 地形成固定磁性層40、隧道勢壘層42、 Fe層44和FeN層46的厚度和 平面圖案。Fe層44連接到地(接地)；FeN層46連接到源極；並且固定磁性層 40連接到柵極。圖4是圖3中所示的磁性裝置的邏輯電路。第一隧道磁阻效應膜部 51和第二隧道磁阻效應膜部52串聯在地和源極之間。從固定磁性層40 輸出信號。輸入信號用作對磁性裝置起作用的外部磁場。即，當外部磁場對磁 性裝置的Fe層44和FeN層46起作用以反轉磁化方向時，第一隧道磁阻 效應膜部51和第二隧道磁阻效應膜部52的阻值發生變化，從而改變柵 極的輸出信號。例如，通過在磁性裝置附近設置電纜並切換流過電纜的 電流的方向，可以施加用於反轉磁性裝置的Fe層44和FeN層46的磁化 方向的外部磁場。第一隧道磁阻效應膜部51具有正MS比率特性，並且第二隧道磁阻 效應膜部52具有負MS比率特性。因此，第一隧道磁阻效應膜部51的 平行情況和反向平行情況之間的阻值關係與第二隧道磁阻效應膜部52的 平行情況和反向平行情況之間的阻值關係相反。通過採用這種功能，可 將圖4中所示的邏輯電路用作反相電路。圖5示出了上述磁性裝置的操作。當輸入到磁性裝置的信號為0 (即 施加外部磁場以使得磁性裝置的Fe層44和FeN層46的磁化方向與固定 磁性層40的磁化方向相反)時，在第一隧道磁阻效應膜部51中使得固 定磁性層40和Fe層44的磁化方向反向平行，從而增大阻值；在第二隧 道磁阻效應膜部52中使得固定磁性層40和FeN層46的磁化方向反向平 行，從而減小阻值。因此，柵極輸出為l (電壓高)。另一方面，當輸入到磁性裝置的信號為1 (即施加外部磁場以使得磁性裝置的Fe層44和FeN層46的磁化方向與固定磁性層40的磁化方 向平行)時，在第一隧道磁阻效應膜部51中阻值減小；在第二隧道磁阻 效應膜部52中阻值增大，從而減小阻值。因此，柵極輸出為0 (電壓 低)。如上所述，執行上述反相器操作，其中，當輸入了信號0或1時， 柵極輸出信號1或0。通過對磁性裝置施加外部磁場，執行反相器操作。 如果沒有外部磁場對磁性裝置起作用，則磁性裝置保持之前的狀態。艮P， 磁性裝置可用作隨機存取存儲器。在採用磁性裝置作為隨機存取存儲器的情況中，僅僅保持或維持磁 化方向，因此不需要大MR比率。因此，本發明的隧道磁阻效應膜可適 用於上述磁性裝置。尤其是，本發明的隧道磁阻效應膜具有大MR比率 (例如-30%)，並且可在室溫下使用。因此，可將本發明的隧道磁阻效應 膜廣泛地應用於包括磁頭的各種磁性裝置。在不脫離本發明的本質特徵的精神的情況下可以採用其他具體形式 來實現本發明。因此，應當將本實施方式全面考慮為示例性的而非限制 性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明來表示，因此，旨 在將落入權利要求的等同物的意義和範圍之內的所有變化包括在權利要 求中。
權利要求
1.一種隧道磁阻效應膜，該隧道磁阻效應膜包括隧道勢壘層；和夾著所述隧道勢壘層的磁性層，其中，所述磁性層之一為FeN層。
2. 根據權利要求1所述的隧道磁阻效應膜，其中，另一個磁性層為磁化方向固定的固定磁性層。
3. 根據權利要求2所述的隧道磁阻效應膜，其中，所述固定磁性層由第一固定磁性層和第二固定磁性層構成， 所述第一固定磁性層和所述第二固定磁性層通過反鐵磁耦合層而耦合。
4. 根據權利要求2所述的隧道磁阻效應膜，其中，靠近所述固定磁性層地形成有反鐵磁層，並且 所述反鐵磁層交換連接所述固定磁性層，以固定所述固定磁性層的 磁化。
5. —種磁性裝置， 該磁性裝置包括 隧道磁阻效應膜，其中，所述隧道磁阻效應膜包括隧道勢壘層；和夾著所述隧道勢 壘層的磁性層，並且所述磁性層之一為FeN層。
6. —種磁性裝置， 該磁性裝置包括第一隧道磁阻效應膜部，其包括固定磁性層、隧道勢壘層和具有正 MR比率特性的磁性層；以及第二隧道磁阻效應膜部，其包括固定磁性層、隧道勢壘層和具有負MR比率特性的磁性層，其中，所述第二隧道磁阻效應膜部的具有負MR比率特性的磁性層為FeN層。
7. 根據權利要求6所述的磁性裝置，其中，各個固定磁性層由第一固定磁性層和第二固定磁性層構成。
8. 根據權利要求6所述的磁性裝置，其中，靠近各個固定磁性層地形成有反鐵磁層，並且 所述反鐵磁層交換連接各個固定磁性層，以固定所述固定磁性層的 磁化。
9. 根據權利要求6所述的磁性裝置，其中，公共固定磁性層用作所述第一隧道磁阻效應膜部和所述第二 隧道磁阻效應膜部的固定磁性層，並且所述第一隧道磁阻效應膜部的隧道勢壘層和磁性層與所述第二隧道 磁阻效應膜部的隧道勢壘層和磁性層分離地形成在所述公共固定磁性層 上。
10. 根據權利要求9所述的磁性裝置，其中，所述第一隧道磁阻效應膜部和所述第二隧道磁阻效應膜部串 聯連接在地和源極之間，所述固定磁性層連接到柵極，並且將由外部磁場引起的輸入信號的反相檢測為所述柵極的反相輸出信
全文摘要
本發明提供隧道磁阻效應膜和磁性裝置。所述隧道磁阻效應膜是高度實用的隧道磁阻效應膜，具有可工作的負MR比率的特性，可在室溫下使用。所述隧道磁阻效應膜包括隧道勢壘層；和夾著所述隧道勢壘層的磁性層。磁性層之一由FeN構成。
文檔編號G11C11/16GK101237023SQ20071015976
公開日2008年8月6日 申請日期2007年12月21日 優先權日2007年1月31日
發明者角田匡清, 駒垣幸次郎, 高橋研 申請人:富士通株式會社;國立大學法人東北大學