專利名稱：具有高gmr值的ccp-cpp磁阻讀取器的制作方法
具有高GMR值的CCP-CPP磁阻讀取器
背景技術：
已經(jīng)開發(fā)出用于高密度數(shù)據(jù)存儲應用的巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)器件。GMR 和TMR器件二者均以在兩個鐵磁層之間包括非磁性間隔層的多層讀取器疊層為特征。通 常，鐵磁層之一用作具有固定磁化強度的基準或被釘扎層，而稱為自由層的另一鐵磁層具 有響應于外部磁場而旋轉的磁化強度。在GMR器件中，非磁性間隔層是導電的。在TMR器 件中，該間隔層是在自由層與基準層之間形成隧道勢壘的非常薄的電絕緣層。利用氧化鎂(MgO)的TMR讀取器疊層已經(jīng)用于面密度高達500Gb/平方英寸的商 用硬盤驅動器。隨著面密度進一步提高，讀取器大小(讀取器寬度和讀取器條高)必須減 小。這迫使MgO TMR疊層的電阻和面積之積(RA之積)減小，以保持相同的讀取器電阻。然 而，MgO疊層的RA的減小不僅顯著減小TMR值，而且嚴重增大TMR疊層中的自由層與基準 層之間的耦合場(自由層Hl值)。例如，當RA約為0. 6 Ω μ m2時，該Hl值將高達約3000e， 而當RA約為0. 4 Ω μ m2時，該Hl值將高達約5000e。這樣的高自由層Hl值在磁頭應用中 是不可接受的，因為它會改變不對稱性平均值，和/或需要極其厚的永磁體(PM)來使自由 層與氣墊面(ABS)對準到平行。較厚的PM犧牲了屏蔽到屏蔽的間距，且降低了面密度。為利用適度低的RA(0. 1 0. 4Ω ym2)實現(xiàn)高GMR讀取器疊層，在過去數(shù)年中，已 經(jīng)針對用于硬盤驅動器產(chǎn)業(yè)的電流限制路徑(CCP)電流垂直于平面(CPP)GMR讀取器進行 了研究工作。在 Fukuzawa 等人的 US2006/0050444、Fukuzawa 等人的 US 2006/0098353、 Childress 等人的 US2007/0047154、Carey 等人的 US 2007/0097558、Zhang 等人的 US2007/0188936、Fuji 等人的 US 2008/0008909、Yuasa 等人的 US 2008/0026253 以及 Nowak等人的美國專利No. 7，093, 347中描述了 CCP-CPP GMR器件的示例。通過向純CPP疊層的間隔層(像銅)中摻入某些氧化物微粒以將純CPP疊層中的 非常低的RA (小于0. 1 Ω μπι2)提高至適度低的RA (0. 1 0.4 Ω μ m2)，可制造CCP-CPP讀 取器。摻入的氧化物部分的功能僅僅是電流限制路徑以增大RA。它對增大GMR或甚至降低 GMR值幾乎無貢獻。此外，在傳統(tǒng)CCP讀取器設計中，將導電通道或氧化物微粒的大小控制 在納米范圍內(nèi)以及控制大小變化是非常難的。該問題可導致晶片中非常大的傳感器到傳感 器的RA以及GMR變化，且會在讀/寫磁頭的大規(guī)模生產(chǎn)中導致顯著的生產(chǎn)率降低。在間隔 層內(nèi)制造非常小(納米或甚至埃范圍)和均勻的導電通道或氧化物粒子是非常難的技術挑 戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
一種具有高巨磁阻(GMR)值和適度低電阻面積積(RA)的磁阻器件包括第一磁性 層、第二磁性層以及位于該第一磁性層與第二磁性層之間的電流限制路徑(CCP)間隔層。 該間隔層包括在該第一磁性層與第二磁性層之間延伸的在氧化鎂基質中的銅電流限制路徑。該間隔層可形成為銅和氧化鎂的混合層。對該混合層進行熱處理以在氧化鎂基質 中形成銅電流限制路徑。


圖1示出具有間隔層的磁阻CCP-CPP疊層，該間隔層在氧化鎂基質中具有銅導電 通道。圖2是示出形成圖1的CCP-CPP疊層的方法的流程圖。圖3是示出形成圖1的CCP-CPP疊層的方法的流程圖，其包括Cu/Mg混合物層的 沉積和部分氧化。圖3A-3G示出圖3的方法的步驟。圖4是示出形成圖1的CCP-CPP疊層的方法的流程圖，其包括Cu/MgO混合物層的 沉積。圖5是示出具有不同厚度和RA積的CCP-CPP讀取器疊層的GMR結果的曲線圖。圖6示出具有直徑為0. 15 μ m的傳感器大小的GMR和RA分布的曲線圖。
具體實施例方式圖1是作為電流垂直于平面(CPP)、電流限制路徑(CCP)、巨磁阻(GMR)器件的磁 阻疊層10的層示意圖。磁阻疊層10包括籽層12、反鐵磁(AFM)釘扎層14、鐵磁被釘扎層 16、耦合層18、基準層20、電流限制路徑(CCP)間隔層22、第一鐵磁自由層24、第二鐵磁自 由層26以及覆蓋層28。籽層12可以是單層，或者可以是多層。例如，籽層12可包括NiFeCr的第一層和 NiFe的第二層。在籽層12上方的釘扎層14是反鐵磁材料?？尚纬舍斣鷮?4的反鐵磁材料的示 例包括 CrMnCu、CrMnPd, CrMnPt, IrMn, NiMn, NiMnCr, PdMn, PdPtMn, PtMn 以及 PtRuMn。被釘扎層16、耦合層18以及基準層20形成合成的反鐵磁體。被釘扎層16和基 準層20是鐵磁材料，諸如CoFe、CoFeB以及諸如Co2MnX之類的合金，其中X來自由Ge、Si、 Al、Ga以及Sn組成的組。例如，耦合層18是厚度導致被釘扎層16與基準層20之間的反 鐵磁耦合的釕層。結果，基準層20的磁化方向是固定的，且提供相對于自由層24和26的 磁化方向的基準。間隔層22由銅和氧化鎂二者組成。銅導電通道30分布于整個MgO基質32中。MgO基質32用于限制通過自由層24與基準層20之間的間隔層22的電流路徑， 這樣增大了電阻從而增大了 RA積。此外，MgO基質32擔當TMR勢壘，這對疊層10的總GMR 值起主要影響。間隔層22中的銅區(qū)30不僅用作疊層10中的間隔層以確保CPP自旋閥效應，還擔 當有助于減小RA值的導電通道。因此，CCP層22提供TMR和自旋閥效應二者的組合。通 過調(diào)節(jié)間隔層22中的MgO與銅區(qū)的比例、并通過調(diào)節(jié)間隔層22的厚度，可控制RA值。CCP 間隔層22可包括在約與約60%之間的銅。更優(yōu)選地，間隔層22中的銅的百分比約為 5%到約30%。間隔層22的厚度從約0.5人到約15人范圍。優(yōu)選地，間隔層22的厚度為約 4人到約8人的范圍。第一自由層24可以是諸如CoFe或CoFeB之類的具有正磁致伸縮的鐵磁材料。第 二自由層26在第一自由層24之上，且由諸如NiFe之類的具有負磁致伸縮的鐵磁材料組
5成，從而由層24和26形成的復合自由層將產(chǎn)生具有凈負磁致伸縮的高GMR值。將自由層 24和26的磁化方向耦合到一起，且可相對于基準層20的磁化方向自由旋轉。在其他實施 例中，僅使用了單個自由層。覆蓋層28可以是單層結構，或可包括多層。覆蓋層28通常可包括氧化物或能在 高溫退火期間氧化的金屬或金屬合金。圖2是示出形成諸如圖1的磁阻疊層10之類的CCP-CPP器件的方法的流程圖。方 法40包括形成第一磁性層(例如基準層20)(步驟42)；在第一磁性層上形成銅和氧化鎂 的混合層(步驟44)；在混合層上沉積第二磁性層(例如自由層24)(步驟46)；以及對該混 合層進行加熱(或退火)以在MgO基質(32)中形成含Cu電流限制區(qū)(30)的CCP層(例 如CCP層22)(步驟48)。圖3和3A-3G示出了制造讀取器疊層10的方法，該方法涉及在CCP間隔層22形成 期間沉積鎂與銅(隨后是部分氧化步驟)。圖3是示出方法50的流程圖，其包括步驟52、 54、56、58、60、62以及64。圖3A-3G分別示出步驟52-64。利用該方法，有可能實現(xiàn)在氧化 鎂基質中小而且均勻分布的銅通道。其結果是高GMR、適度低RA、高Q值(定義為GMR與RA 之比)以及低自由層耦合場HI。在步驟52 (圖3A)中，已經(jīng)沉積了籽層12、釘扎層14、被釘扎層16、耦合層18以及 基準層20全部。在步驟54(圖3B)中，在基準層20的上表面上沉積鎂層70。鎂層70擔當 用于在間隔層22中形成氧化鎂的籽層。鎂層70的厚度為約0.5人到約5人的范圍，更優(yōu)選約 為2.5人。在這些厚度下，鎂層70包含許多小孔。在步驟56(圖3C)中，已形成了銅和鎂的混合層72?？衫肦F濺射由分離的鎂和 銅靶形成該混合層72，或利用RF濺射由單個銅一鎂靶形成。在步驟58中，執(zhí)行部分氧化步驟以將銅和鎂的混合層72轉化成銅和氧化鎂的混 合層72’。圖3D示出進行部分氧化之后的混合層72’。該部分氧化過程可包括等離子體氧 化、自由基浴氧化或自然氧化。該氧化主要是層72’中的鎂的氧化。在步驟60 (圖3E)中，已經(jīng)在混合層72’上沉積了鎂層74。鎂層74的厚度為約 0.5A到約5A的范圍，更優(yōu)選在約為2.5A的范圍中。在步驟62中，沉積了第一和第二自由層24和26。圖3F示出了在已沉積第一自由 層24之后的疊層10。該工藝以第二自由層26和覆蓋層28的沉積而繼續(xù)，如圖3G所示。在步驟64中，在全部讀取器疊層(包括自由和覆蓋層)沉積之后執(zhí)行退火過程 (即熱處理)，以將鎂層70和74以及混合層72’轉化成間隔層22，其中銅導電通道30分 布于整個MgO基質32中。圖1示出已經(jīng)執(zhí)行退火以完成CCP間隔層22的形成之后的疊層 10的結構。在退火步驟64期間，鎂層70和74以及混合層72’中發(fā)生了轉變。鎂是非?；钚?的，且容易氧化。鎂層70和74中的小孔允許銅通道30延伸通過基準層20和第一自由層 24 二者并與它們接觸。連接基準層20和第一自由層24的銅通道30形成穿過間隔層22的 MgO基質32的電流限制路徑。當由CoFeB形成基準層20和自由層24時，圖3和3A-3G中描述的工藝具有另一 好處。所沉積的CoFeB的結構通常是無定形的。在間隔層22中形成氧化鎂基質32的退火 過程也具有改變CoFeB基準層20和第一自由層24形成的界面處的晶體結構的效果。氧化
6鎂首先結晶，同時CoFeB層仍為無定形。然后氧化鎂的晶體結構在退火過程期間生長到毗 鄰層中，從而實現(xiàn)良好的晶格匹配。因此，基準層20、氧化鎂基質32以及自由層24均具有 相同的晶體結構(體心立方或BCC)。另一方面，銅具有面心立方(FCC)結構。在其他實施例中，可能不使用鎂層70和74，或可能僅使用這二者之一。然而，已經(jīng) 發(fā)現(xiàn)在該工藝中添加薄鎂層70和74傾向于增強總體GMR效果。圖4示出與圖3的方法50大致相似的替代方法50’，其不同之處在于通過沉積銅 和氧化鎂(步驟56’ )而不是沉積銅和鎂(步驟56)來形成混合層，然后部分氧化(步驟 58)以形成銅/氧化鎂混合層。在方法50’(圖4)中，例如，可通過RF濺射由分離的氧化 鎂和銅靶形成該混合層，或通過RF濺射由單個銅-氧化鎂靶形成。圖5示出CCP讀取器疊 層在0. 22 0. 5 Ω μ m2范圍下的不同RA時的GMR結果。該CCP間隔層的厚度范圍從約4人 到約8人，且RA積隨著厚度增加而增加。當以約為0.22、0.3、0.4以及0.50111112時，分別 實現(xiàn)了約21 %、28. 5%、37. 5%以及41 %的高GMR值。低RA條件下的此類高GMR歸因于自 由層與基準層之間的CCP-CPP間隔層。表1歸納了 CCP-CPP讀取器疊層的一些典型GMR、RA、Q以及自由層Hl值。表1中 所示數(shù)據(jù)和圖3中的數(shù)據(jù)來自同一器件集合。定義為GMR與RA之比的Q值高，且約為80 100。與具有非常高自由層Hl (當RA在0.3 0.5 Ω μ m2范圍時約為300 5000e)的純 MgO TMR疊層的典型低RA不同，CCP-CPP疊層的自由層Hl小且小于IOOOe。這意味著MgO 和Cu的CCP間隔層非常連續(xù)，且能將自由層與基準層之間的磁相互作用有效地解耦。表 權利要求
一種制造磁阻器件的方法，所述方法包括形成第一磁性層；在所述第一磁性層上形成Cu和MgO的混合層；在所述混合層上沉積第二磁性層；以及對所述混合層進行熱處理以形成包含MgO基質中的Cu電流限制路徑的CCP層。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在形成所述混合層之前，在所述第一磁性層上沉積Mg籽層。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所沉積的Mg籽層具有約0.5人到約5A的厚度。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在沉積所述第二磁性層之前，在所 述混合層上沉積Mg籽層。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所沉積的Mg籽層具有約0.5人與約5人之間 的厚度。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述混合層包括 沉積Cu和Mg的混合物；以及氧化Mg以形成Cu和MgO的混合物。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，通過分離靶或通過混合的Cu-Mg單靶濺射沉 積所述Cu和Mg的混合物。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，通過等離子體氧化、自由基浴氧化以及自然 氧化中的至少一種方法來進行氧化。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述混合層包括 沉積Cu和MgO的混合物。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，通過分離的Cu和MgO靶或通過混合的 Cu-MgO單靶濺射沉積所述混合物。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述第一磁性層包括沉積FeC0B、C0Fe 以及Co2MnX中的一種或多種，其中X來自由Ge、Si、Al、Ga以及Sn組成的組；以及其中沉 積所述第二磁性層包括沉積FeCoB、CoFe,以及NiFe中的一種或多種。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所形成的混合層包含約1原子百分數(shù)到約 60原子百分數(shù)的Cu。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所形成的混合層包含約5原子百分數(shù)到約 30原子百分數(shù)的Cu。
14.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所形成的混合層具有約0.5人到約15人的厚度。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，所形成的混合層具有約4人到約8人的厚度。
16.一種磁阻器件，包括包括C0FeB、C0Fe以及Co2MnX中的一種或多種的第一磁性層，其中χ來自由Ge、Si、Al、 Ga以及Sn組成的組；包括C0FeB、C0Fe、以及NiFe中的一種或多種的第二磁性層；以及 位于所述第一磁性層與所述第二磁性層之間的間隔層，所述間隔層包括MgO基質中在 所述第一與第二磁性層之間延伸的Cu電流限制路徑。
17.如權利要求16所述的磁阻器件，其特征在于，所述間隔層包含約1原子百分數(shù)到約 60原子百分數(shù)的Cu。
18.如權利要求16所述的磁阻器件，其特征在于，所述間隔層包含約5原子百分數(shù)到約 30原子百分數(shù)的Cu。
19.如權利要求16所述的磁阻器件，其特征在于，所述間隔層具有約0.5人到約15人的厚度。
20.如權利要求19所述的磁阻器件，其特征在于，所述間隔層具有約4人到約8人的厚
全文摘要
一種具有高巨磁阻(GMR)值和適度低電阻面積積(RA)的磁阻器件包括第一磁性層、第二磁性層以及位于該第一磁性層與第二磁性層之間的電流限制路徑(CCP)間隔層。該間隔層包括在第一磁性層與第二磁性層之間延伸的在氧化鎂基質中的銅電流限制路徑。由銅和氧化鎂的混合物形成該間隔層，對該混合物進行熱處理以在氧化鎂基質中形成銅電流限制路徑。
文檔編號G11B5/33GK101937968SQ201010217368
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權日2009年6月25日
發(fā)明者J·丁, Q·何, Y·陳 申請人:希捷科技有限公司