專利名稱：磁性薄膜和磁阻效應(yīng)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及其中反鐵磁層和鐵磁層相層疊的磁性薄膜和包括所述磁 性薄膜的磁阻效應(yīng)元件，更具體地涉及能夠可靠地固定鐵磁層的磁化方 向的磁性薄膜以及包括所述磁性薄膜的磁阻效應(yīng)元件。
背景技術(shù)：
磁盤裝置的磁頭包括寫磁頭，用于在記錄介質(zhì)上寫數(shù)據(jù)；和讀磁 頭，用于從所述記錄介質(zhì)中讀取數(shù)據(jù)。所述讀磁頭包括磁阻效應(yīng)元件， 其阻值基于記錄在所述記錄介質(zhì)上的磁化信號(hào)而改變。所述磁阻效應(yīng)元件具有磁化方向固定的固定層(pinnedlayer);以 及磁化方向基于記錄介質(zhì)的磁場(chǎng)而改變的自由磁性層(自由層)。自由層 的磁化方向隨著來(lái)自記錄介質(zhì)的磁化信號(hào)而改變，可以基于阻值的改變 來(lái)讀取記錄的數(shù)據(jù)，通過(guò)自由層的磁化方向相對(duì)于固定層的磁化方向的 相對(duì)角度改變而獲知阻值的改變。通常將具有上述功能的磁阻效應(yīng)元件 稱為自旋閥(spinvalve)元件。自旋閥元件包括CIP (電流在平面內(nèi))型GMR (巨磁阻)元件和 CPP (電流垂直于平面)型TMR (隧道磁阻)元件。在各個(gè)元件中，磁性膜、非磁性膜等相層疊。已采用多種膜結(jié)構(gòu)。 在圖6A和6B中示出了磁阻效應(yīng)膜的基本膜結(jié)構(gòu)。圖6A示出了 CIP型GMR元件。從底部開(kāi)始依次層疊有下屏蔽層 10、絕緣層ll、基層12、反鐵磁層13、第一固定層14a、反鐵磁耦合層 15、第二固定層14b、中間層16、自由層17、覆蓋層18以及上屏蔽層 19。圖6B示出了 CPP型TMR元件。從底部開(kāi)始依次層疊有下屏蔽層 10、基層12、反鐵磁層13、第一固定層14a、反鐵磁耦合層15、第二固定層14b、隧道勢(shì)壘層20、自由層17、覆蓋層18以及上屏蔽層19。反鐵磁層13通過(guò)交換連接功能來(lái)固定第一固定層14a的磁化方向。 反鐵磁耦合層15通過(guò)第一固定層14a和第二固定層14b之間的反鐵磁耦 合功能，可靠地固定第二固定層14b的磁化方向。第二固定層14b的磁 化方向與第一固定層14a的磁化方向相反。如圖6A和6B中所示，在GMR元件中，第二固定層14b和自由層 17夾有中間層16地層疊，中間層16由非磁性材料構(gòu)成；在TMR元件 中，第二固定層14b和自由層17夾有隧道勢(shì)壘層20地層疊。通過(guò)檢測(cè)固定層的磁化方向與自由層的磁化方向之間的相對(duì)角度的 變化來(lái)獲知磁阻效應(yīng)膜的阻值的改變。因此，必須很好地固定固定層的 磁化方向。如上所述，通過(guò)設(shè)置反鐵磁層13或者夾有反鐵磁耦合層15 地層疊第一固定層14a和第二固定層14b來(lái)可靠地固定所述固定層的磁 化方向。但是，隨著記錄介質(zhì)的記錄密度的提高，已開(kāi)發(fā)了精細(xì)磁阻效應(yīng)型 讀磁頭，也己經(jīng)對(duì)讀元件進(jìn)行了小型化。但是，對(duì)小型化讀元件的去磁 場(chǎng)使固定層的磁化方向相對(duì)于所希望的磁化方向發(fā)生偏移。去磁場(chǎng)抵消 磁場(chǎng)。去磁場(chǎng)的強(qiáng)度隨著對(duì)讀元件的小型化而增大。如果通過(guò)去磁場(chǎng)改變了固定層的磁化方向，則讀磁頭的輸出信號(hào)將 不對(duì)稱，并且將發(fā)生固定反向。為了防止小型化讀磁頭的固定層的磁化 方向改變，必須可靠地固定所述固定層的磁化方向。為了解決上述問(wèn)題，Applied Physics Letters的vol.84， No.25， 5222 (2004)揭示了一種增大包括反鐵磁膜和鐵磁膜在內(nèi)的層疊膜的單向磁 各向異性的技術(shù)，其中較長(zhǎng)時(shí)間地執(zhí)行熱處理，例如大約100小時(shí)。通 過(guò)采用這種技術(shù)，可以增大包括反鐵磁膜和鐵磁膜在內(nèi)的層疊膜的單向 磁各向異性。但是，熱處理花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，因此必定降低生產(chǎn)效率。發(fā)明內(nèi)容構(gòu)思了本發(fā)明以解決上述問(wèn)題。本發(fā)明的目的是要提供其中可以可靠地固定鐵磁層(例如磁阻效應(yīng)元件的固定層)的磁化方向的磁性薄膜、具有所述磁性薄膜的磁阻效應(yīng) 元件以及具有所述磁阻效應(yīng)元件的磁頭。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具有以下結(jié)構(gòu)。艮P，本發(fā)明的磁性薄膜包括反鐵磁層；和鐵磁層，其中所述反鐵 磁層由錳系反鐵磁材料構(gòu)成，并且在所述反鐵磁層和所述鐵磁層之間形 成有錳(Mn)層。所述錳系反鐵磁材料表示包括Mn的反鐵磁材料(例如IrMn， PtMn， PdPtMn， PdMn)。優(yōu)選的是，所述反鐵磁層由IrMn構(gòu)成，并且所述鐵磁層由CoFe構(gòu)成。本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件包括下屏蔽層；上屏蔽層；和夾在所述下 屏蔽層和上屏蔽層之間的磁阻效應(yīng)膜，所述磁阻效應(yīng)膜包括固定層和自 由層，其中在所述固定層之下設(shè)置有由錳系反鐵磁材料構(gòu)成的反鐵磁層， 并且在所述固定層和所述反鐵磁層之間設(shè)置有錳(Mn)層。優(yōu)選的是，所述固定層由第一固定層和第二固定層組成，所述第一 固定層和所述第二固定層夾有反鐵磁耦合層地層疊。在GMR元件中，所 述自由層可以隔著中間層層疊在所述固定層上；在TMR元件中，所述自 由層可以隔著隧道勢(shì)壘層層疊在所述固定層上。本發(fā)明的磁頭包括讀磁頭；和寫磁頭，其中所述讀磁頭具有磁阻 效應(yīng)元件，所述磁阻效應(yīng)元件包括下屏蔽層；上屏蔽層；和夾在所述 下屏蔽層和上屏蔽層之間的磁阻效應(yīng)膜，所述磁阻效應(yīng)膜包括固定層和 自由層，在所述固定層之下設(shè)置有由錳系反鐵磁材料構(gòu)成的反鐵磁層， 并且在所述固定層和所述反鐵磁層之間設(shè)置有錳(Mn)層。優(yōu)選的是，所述固定層由第一固定層和第二固定層組成，所述第一 固定層和所述第二固定層夾有反鐵磁耦合層地層疊。在磁頭的GMR元件 中，所述自由層可以隔著中間層層疊在所述固定層上；在磁頭的TMR元 件中，所述自由層可以隔著隧道勢(shì)壘層層疊在所述固定層上。在本發(fā)明的磁性薄膜中，設(shè)置在所述反鐵磁層和所述鐵磁層之間的 Mn層可靠地固定鐵磁層的磁化方向。因此，可以適當(dāng)?shù)貙⑺龃判员∧?用于磁阻效應(yīng)元件或存儲(chǔ)元件。在具有本發(fā)明的磁性薄膜的磁阻效應(yīng)元件中，可以可靠地固定所述 固定層的磁化方向，從而可以改進(jìn)所述磁阻效應(yīng)元件的輸出特性。同樣， 在小型化磁頭的情況中，可以可靠地固定所述固定層的磁化方向，從而 可以改進(jìn)所述磁頭的輸出特性。


現(xiàn)在參照附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明，在附圖中: 圖1A是關(guān)于本發(fā)明的GMR元件的說(shuō)明圖；圖IB是關(guān)于本發(fā)明的TMR元件的說(shuō)明圖；圖2是針單向磁各向異性相對(duì)于Mn層的膜厚度的曲線圖；圖3是用于測(cè)量所述單向磁各向異性的樣品膜的說(shuō)明圖；圖4是飽和磁化Ms和位移磁場(chǎng)Hex的說(shuō)明圖；圖5是具有本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件的磁頭的剖面圖；圖6A是常規(guī)CIP型GMR元件的說(shuō)明圖；和 圖6B是常規(guī)CPP型TMR元件的說(shuō)明圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 (磁阻效應(yīng)元件的結(jié)構(gòu))圖IA和IB中示出了本發(fā)明的磁性薄膜的實(shí)施方式。圖IA是CIP 型GMR元件的說(shuō)明圖；圖IB是CPP型TMR元件的說(shuō)明圖。對(duì)圖IA和IB中所示的磁阻效應(yīng)元件的特征點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。與圖6A 和6B中所示的常規(guī)磁阻效應(yīng)元件不同，釆用由錳系反鐵磁材料構(gòu)成的反 鐵磁層13，并且在反鐵磁層13和第一固定層14a之間設(shè)置錳(Mn)層 22。常規(guī)上，已將錳系材料用作鐵磁材料。反鐵磁層13由錳系反鐵磁材 料(例如IrMn， PtMn， PdPtMn， PdMn)構(gòu)成。可以將各種膜結(jié)構(gòu)用于磁阻效應(yīng)元件。對(duì)圖IA和IB中所示的磁阻 效應(yīng)元件的膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。在圖1A所示的GMR元件中，下屏蔽層10由軟磁材料(例如NiFe)構(gòu)成，絕緣層11例如由氧化鋁構(gòu)成?；鶎?2是由錳系反鐵磁材料構(gòu)成的反鐵磁層13的基底?；鶎?2是由Ta/Ru構(gòu)成的雙層膜。第一固定層14a和第二固定層14b由鐵磁材料(例如CoFe， CoFeB)構(gòu)成。反鐵磁耦合層15由Ru構(gòu)成。設(shè)置在第二固定層14b和自由層17之間的中間層16由銅構(gòu)成。自由層17為由CoFe/NiFe構(gòu)成的雙層膜。覆蓋層18為Ta/Ru構(gòu)成的雙層膜并用作保護(hù)層。像下屏蔽層10 —樣，上屏蔽層19也由軟磁材料(例如NiFe)構(gòu)成。在圖1B所示的TMR元件中，設(shè)置有隧道勢(shì)壘層20來(lái)替代中間層 16。隧道勢(shì)壘層20由氧化鋁或MgO構(gòu)成。隧道勢(shì)壘層20很薄，通過(guò)隧 道效應(yīng)使得感應(yīng)電流從其中流過(guò)。圖2是測(cè)量出的層疊膜(樣品)的單向磁各向異性常數(shù)Jk (Jk=MsxdxHex，其中Ms為飽和磁化，d為膜厚度，Hex為位移磁場(chǎng)) 的曲線圖，所述層疊膜中的每一個(gè)都包括錳系反鐵磁層和Mn層。圖3 中示出了樣品。樣品由下屏蔽層10、基層12、反鐵磁層13、 Mn層22、 鐵磁層14和上屏蔽層19構(gòu)成。通過(guò)噴射NiFe形成下屏蔽層10和上屏 蔽層19。反鐵磁層13具有10 nm的厚度并通過(guò)噴射IrMn形成。基層12為由 Ta/Ru構(gòu)成的雙層膜。鐵磁層14對(duì)應(yīng)于磁阻效應(yīng)元件的固定層。在試驗(yàn)中，鐵磁層14具 有4 nm的厚度并通過(guò)噴射CoFe形成。樣品的Mn層的厚度不同。測(cè)量樣品的單向磁各向異性常數(shù)Jk。注意，用于獲取單向磁各向異性常數(shù)Jk的公式中的膜厚度d為鐵磁 層14的厚度。圖4示出了飽和磁化Ms和位移磁場(chǎng)Hex。圖4概念性地示出了當(dāng)對(duì) 樣品施加外部磁場(chǎng)時(shí)的磁化曲線。如圖4中所示，限定了飽和磁化Ms 和位移磁場(chǎng)Hex。根據(jù)獲得單向磁各向異性常數(shù)Jk的公式，當(dāng)位移磁場(chǎng) Hex增大時(shí)，單向磁各向異性常數(shù)Jk增大，從而可以可靠地固定鐵磁層 的磁化方向。圖2示出了測(cè)量出的樣品的單向磁各向異性常數(shù)Jk，其中Mn層22 的厚度不同。注意，在Mn層的厚度=0 nm的情況下，樣品沒(méi)有Mn層22。 根據(jù)圖2中所示的結(jié)果，通過(guò)改變Mn層22的厚度，測(cè)量出的樣品的單 向磁各向異性常數(shù)Jk在0.45至0.82 (erg/cm2)的范圍內(nèi)變化。與沒(méi)有 Mn層22的樣品相比，測(cè)量出的具有Mn層22的樣品的單向磁各向異性 常數(shù)Jk增大。根據(jù)該曲線圖，當(dāng)Mn層22的厚度大約為0.5 nm時(shí)，測(cè) 量出的單向磁各向異性常數(shù)Jk最大。所采用的樣品具有圖3中所示的膜結(jié)構(gòu)，在28(TC的溫度下將其退 火一個(gè)小時(shí)。根據(jù)試驗(yàn)，可以通過(guò)在反鐵磁層13和鐵磁層14之間的邊界面內(nèi)設(shè) 置Mn層22來(lái)增大鐵磁層14的單向磁各向異性常數(shù)Jk。在反鐵磁層13 和鐵磁層14之間設(shè)置有Mn層22的樣品的單向磁各向異性常數(shù)Jk是沒(méi) 有Mn層22的樣品的兩倍大，但是該改進(jìn)能夠可靠地固定鐵磁層14的 磁化方向。在層疊處理之后對(duì)各個(gè)樣品退火一個(gè)小時(shí)。也就是說(shuō)，可以 較短時(shí)間地進(jìn)行退火，從而可以提高生產(chǎn)效率。通過(guò)采用上述膜結(jié)構(gòu)，可以可靠地固定鐵磁層14的磁化方向或者可 以增大單向磁各向異性常數(shù)Jk。本發(fā)明人認(rèn)為，其原因可能是這樣通 過(guò)設(shè)置Mn層22，反鐵磁層13的自旋結(jié)構(gòu)在反鐵磁層13和鐵磁層14之 間的邊界面附近發(fā)生變化，從而可以增強(qiáng)反鐵磁層13和鐵磁層14之間 的交換連接。Mn層22與構(gòu)成反鐵磁層13的反鐵磁材料的種類無(wú)關(guān)地發(fā) 生作用，除了IrMn以外，還可以采用其他錳系反鐵磁材料，例如PtMn、 PdPtMn、 PdMn。注意，通過(guò)添加Mn而使得IrMn、 PtMn、 PdPtMn和 PdMn具有反鐵磁性。在圖3所示的樣品中，在下屏蔽層10和上屏蔽層19之間設(shè)置反鐵 磁層13、 Mn層22和鐵磁層14。可以將該膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用到圖1A和1B中 所示的磁阻效應(yīng)元件的膜結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，在圖1A和1B所示的磁阻效 應(yīng)元件中的每一個(gè)中，在反鐵磁層13和第一固定層14a (其為鉄磁層) 之間的邊界面內(nèi)設(shè)置Mn層22。因此，可以可靠地固定第一固定層14a 的磁化方向，并且還可以通過(guò)反鐵磁耦合層15可靠地固定第二固定層14b的磁化方向。所述磁性薄膜的結(jié)構(gòu)不僅可以應(yīng)用到具有由第一固定層14a和第二 固定層14b構(gòu)成的固定層的磁阻效應(yīng)元件，而且可以應(yīng)用到具有單個(gè)固定層的磁阻效應(yīng)元件。所述磁性薄膜的結(jié)構(gòu)能夠可靠地固定所述固定層的磁化方向，因此可以將其應(yīng)用到CIP型磁阻效應(yīng)元件和CPP型磁阻效 應(yīng)元件。所述磁性薄膜的結(jié)構(gòu)不但可以應(yīng)用到磁頭的磁阻效應(yīng)元件，而且可 以應(yīng)用到存儲(chǔ)元件，例如MRAM (磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)。在MRAM中， 固定層和自由層夾有絕緣層，將隨著施加外部磁場(chǎng)而發(fā)生改變的自由層 磁化方向用作存儲(chǔ)器。在此情況下，在固定層側(cè)形成磁性薄膜的結(jié)構(gòu)， 從而可以固定所述固定層的磁化方向，并且可以改進(jìn)存儲(chǔ)元件的特性。 (磁頭)通過(guò)將具有所述磁性薄膜的磁阻效應(yīng)元件應(yīng)用到磁頭的讀磁頭，可 以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的磁頭。在圖5中示出了包括磁阻效應(yīng)元件的磁頭的實(shí)施方式。磁頭50包括 讀磁頭30和寫磁頭40。在讀磁頭30中，在下屏蔽層10和上屏蔽層19 之間形成有由磁阻效應(yīng)膜(其包括反鐵磁層13、第一固定層14a、第二 固定層14b、自由層17等等)構(gòu)成的讀元件24。寫磁頭40具有下磁極42和上磁極43，在下磁極42和上磁極43之 間形成有寫間隙41。設(shè)置有用于寫入數(shù)據(jù)的線圈44。磁頭50接合于磁頭滑塊(slider)，磁頭滑塊在記錄介質(zhì)上寫數(shù)據(jù)/ 從記錄介質(zhì)讀數(shù)據(jù)。磁頭滑軌安裝到磁盤裝置的磁頭懸部(head suspension)。當(dāng)記錄介質(zhì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁頭滑塊從記錄介質(zhì)的表面浮起，并 且可以在記錄介質(zhì)上寫數(shù)據(jù)/從記錄介質(zhì)讀數(shù)據(jù)。在不脫離本發(fā)明的本質(zhì)特征的精神的情況下可以采用其他具體形式 來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，應(yīng)當(dāng)將本實(shí)施方式全面考慮為示例性的而非限制性 的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明來(lái)表示，因此，著在將 落入權(quán)利要求的等同物的意義和范圍之內(nèi)的所有變化包括在權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.一種磁性薄膜，該磁性薄膜包括反鐵磁層；和鐵磁層，其中，所述反鐵磁層由錳系反鐵磁材料構(gòu)成，并且在所述反鐵磁層和所述鐵磁層之間形成有錳層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的磁性薄膜， 其中，所述反鐵磁層由IrMn構(gòu)成，并且 所述鐵磁層由CoFe構(gòu)成。
3. —種磁阻效應(yīng)元件， 該磁阻效應(yīng)元件包括 下屏蔽層； 上屏蔽層；和夾在所述下屏蔽層和所述上屏蔽層之間的磁阻效應(yīng)膜，所述磁阻效 應(yīng)膜包括固定層和自由層，其中，在所述固定層之下設(shè)置有由錳系反鐵磁材料構(gòu)成的反鐵磁層，并且在所述固定層和所述反鐵磁層之間設(shè)置有錳層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的磁阻效應(yīng)元件，其中，所述固定層由第一固定層和第二固定層組成，所述第一固定 層和所述第二固定層隔著反鐵磁耦合層地層疊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3的磁阻效應(yīng)元件，其中，所述自由層隔著中間層而層疊在所述固定層上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3的磁阻效應(yīng)元件，其中，所述自由層隔著隧道勢(shì)壘層而層疊在所述固定層上。
7. —種磁頭， 該磁頭包括讀磁頭；和 寫磁頭，其中，所述讀磁頭具有磁阻效應(yīng)元件，所述磁阻效應(yīng)元件包括下 屏蔽層；上屏蔽層；以及夾在所述下屏蔽層和所述上屏蔽層之間的磁阻 效應(yīng)膜，所述磁阻效應(yīng)膜包括固定層和自由層，在所述固定層之下設(shè)置有由錳系反鐵磁材料構(gòu)成的反鐵磁層，并且在所述固定層和所述反鐵磁層之間設(shè)置有錳層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的磁頭，其中，所述固定層由第一固定層和第二固定層組成，所述第一固定 層和所述第二固定層隔著反鐵磁耦合層地層疊。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7的磁頭，其中，所述自由層隔著中間層而層疊在所述固定層上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7的磁頭，其中，所述自由層隔著隧道勢(shì)壘層而層疊在所述固定層上。
全文摘要
本發(fā)明提供磁性薄膜和磁阻效應(yīng)元件。在所述磁性薄膜中，可以可靠地固定諸如固定層的鐵磁層的磁化方向。所述磁性薄膜包括反鐵磁層；和鐵磁層。反鐵磁層由錳系反鐵磁材料構(gòu)成，并且在反鐵磁層和鐵磁層之間形成有錳層。
文檔編號(hào)H01L43/08GK101252037SQ20071015976
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月31日
發(fā)明者角田匡清, 駒垣幸次郎, 高橋研 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社;國(guó)立大學(xué)法人東北大學(xué)