專利名稱：磁阻膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻膜，尤其涉及具有旋閥(spin valve)結(jié)構(gòu)的磁阻膜。
磁阻元件(MR元件)是一種通過探測磁阻膜響應(yīng)外加磁場而產(chǎn)生的電阻變化來測量磁場強度及其變化的元件。含有這種磁阻元件的重放磁頭(reproducehead)(磁阻磁頭)的磁靈敏度比常規(guī)的感應(yīng)式磁頭更強，已經(jīng)廣泛研究它在硬盤驅(qū)動器的復(fù)制頭上的應(yīng)用。這種磁阻磁頭具有增強的磁靈敏度，能起到推動大面積錄制極限(areal recording limits)的作用。因此，目前人們已加倍努力地開發(fā)具有高磁阻比的磁阻膜，高磁阻比與提高靈敏度有關(guān)。
已知，巨型磁阻元件(GMR元件)具有高磁阻比。這種GMR元件的一個例子是已知的旋閥膜(spin valve film)，該膜具有包括反鐵磁性/鐵磁性/非磁性導(dǎo)電的/鐵磁性層的多層結(jié)構(gòu)。一種已知的特殊的旋閥膜具有FeMn/NiFe/Co/Cu/Co/NiFe多層結(jié)構(gòu)。在具有如此多層結(jié)構(gòu)的旋閥膜中，F(xiàn)eMn反鐵磁性層與形成于其上的NiFe層強烈地交換耦合，同時NiFe層與Co層鐵磁性耦合。因此，鐵磁性層中的一層就被反鐵磁性層牽制住(pin)了。因而，當(dāng)另一鐵磁性層的磁化方向響應(yīng)外部磁場的變化而變化時，會導(dǎo)致磁阻比的顯著變化。因此，通過使用這種旋閥膜可以得到增強的磁靈敏度。
然而，常規(guī)的反鐵磁性層所使用的FeMn易于被腐蝕，在經(jīng)過拋光處理(一般使用水)后會產(chǎn)生腐蝕坑(微孔)。這會引起磁阻特性不希望的降低。
本發(fā)明的一個目的是提供一種磁阻膜，它可以解決上述通常的問題，并且具有巨大的磁阻和增強的耐腐蝕性。
本發(fā)明第一方面的磁阻膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括第一鐵磁性層、第二鐵磁性層、插入第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層以及與第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合(位于該層上)的反鐵磁性層，該反鐵磁性層包括反鐵磁性的銻基合金。
該反鐵磁性的銻基合金包括，例如CrSb、FeSb2或(MnxCr1-x)YSb100-Y(0≤X≤0.3，40≤Y≤60)。
本發(fā)明第二方面的磁阻膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括第一鐵磁性層、第二鐵磁性層、插入第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層以及與第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層，該反鐵磁性層包括反鐵磁性的氟化物。
該反鐵磁性的氟化物包括，例如CoF3和FeF3。
本發(fā)明第三方面的磁阻膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括第一鐵磁性層、第二鐵磁性層、插入第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層以及與第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層，該反鐵磁性層包括FeRh基合金。
該FeRh基合金例如FexRh100-x(40≤x≤60)。
另外，F(xiàn)eRh基合金可以含有至少一種選自Pt、Ir、Pd、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Re和Os的金屬元素。FeRh基合金中這些添加元素的含量最好不超過30原子百分?jǐn)?shù)。
含有添加元素的FeRh基合金的例子包括Fex(Rh1-yPty)100-x(40≤X≤60，0＜y≤0.5)，F(xiàn)ex(Rh1-yIry)100-x(40≤X≤60，0＜y≤0.5)和Fex(Rh1-yPdy)100-x(40≤X≤60，0＜y≤0.5)。
FeRh基合金的特別的例子是具有Fe50Rh50-xPdx(x≤30)的組成。
Fe50Rh50-xPdx合金組合物中x的值較好的在10-25的范圍內(nèi)，更好的在15-20的范圍內(nèi)。具有這種組成的合金具有高奈耳溫度物，因此能增強磁阻膜的抗熱性。
本發(fā)明第四方面的磁阻膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括第一鐵磁性層、第二鐵磁性層、插入第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層以及與第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層，該反鐵磁性層包括FeS。
本發(fā)明第五方面的磁阻膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括第一鐵磁性層、第二鐵磁性層、插入第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層以及與第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層，該反鐵磁性層包括IrMnCo基合金。
該IrMnCo基合金可以是例如，(IrMn)100-xCox(0＜x≤30)，特別是(Ir25Mn75)100-xCox(0＜x≤30)。x值更好的是在0.1≤x≤20的范圍內(nèi)。
本發(fā)明第六方面的磁阻膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括第一鐵磁性層、第二鐵磁性層、插入第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層以及與第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層，該反鐵磁性層包括CrAl基合金。
該CrAl基合金可以是例如CrxAl100-x(50≤x≤80)。
在本發(fā)明中，如果反鐵磁性層被配置在基質(zhì)上，最好提供至少一層金屬層(選自周期表的IVa族、Va族和VIa族金屬)或具有bcc(體心立方)晶體結(jié)構(gòu)的非磁性金屬層作為反鐵磁性層的底基層。周期表的IVa族、Va族和VIa族金屬包括，例如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W。這些金屬層對于上述本發(fā)明第一至第四方面中使用的反鐵磁性層材料具有理想的可潤濕性。這些金屬層不限于具有晶體結(jié)構(gòu)的金屬層，可以是無定形的金屬層。
具有bcc(體心立方)晶體結(jié)構(gòu)的非磁性金屬層包括，例如Cr和Fe。在如Cr層上形成本反鐵磁性層可以使得反鐵磁性層具有更理想的晶體結(jié)構(gòu)和更好的磁特性。尤其是，當(dāng)反鐵磁性層是bec(體心立方)晶體結(jié)構(gòu)或bct(體心四方)晶體結(jié)構(gòu)時，由具有bcc(體心立方)晶體結(jié)構(gòu)的材料形成的底基層的存在使得反鐵磁性層具有能與鐵磁性層很強地交換耦合的晶體結(jié)構(gòu)，因此使得反鐵磁性層具有穩(wěn)定的磁特性。
同樣，本發(fā)明第七方面的磁阻膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括第一鐵磁性層、第二鐵磁性層、插入第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層以及與第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層，該反鐵磁性層由一種具有體心立方(bcc)或體心四方(bct)結(jié)構(gòu)的材料組成，以及在該反鐵磁性層下有底基層，它由一種具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料組成。
本發(fā)明的第八方面的磁阻元件包括磁阻膜和用于控制磁阻膜的磁疇的具有多層結(jié)構(gòu)的磁疇(domain)控制膜。該多層結(jié)構(gòu)包括由具有體心立方(bcc)或體心四方(bct)的材料組成的反鐵磁性層、裝在反鐵磁性層上的鐵磁性層，裝在反鐵磁性層下面的底基層，該底基層由具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料組成。
在上述第八方面較好的實施方案中，上述磁阻元件中的磁阻膜與上述第七方面的磁阻膜相同。磁阻膜中的底基層和磁疇控制膜中的底基層是用相同的材料形成的，而磁阻膜中的反鐵磁性層和磁疇控制膜中的反鐵磁性層也是用相同的材料形成的。
在上述第七和第八方面中，底基層可以由例如Cr；Cr和至少一種選自Ta、Zr、Nb、Fe、W、V、Mo、Hf、Cs和Rb的元素的合金；Ta；或者Ta和至少一種選自Zr和Nb的元素的合金形成。
在上述第七和第八方面中，反鐵磁性層可以由例如至少一種選自Fe、Mn和Cr的元素與至少一種選自Rh、Pd、Co、Ir、Pt、Ni、Sb和F的元素的合金形成。
在上述第七和第八方面中，底基層的優(yōu)先取向晶面最好為(100)晶面。
另外，在上述第七和第八方面中，反鐵磁性層的優(yōu)先取向晶面最好是(100)晶面或(001)晶面。如果底基層在(100)晶面優(yōu)先取向，那么就容易實現(xiàn)反鐵磁性層如上的優(yōu)先取向晶面，即(100)或(001)晶面。
在上述第七和第八方面中，特別好的是底基層由Cr形成，反鐵磁性層由FeRh基合金形成。FhRh基合金包括，例如FeRh以及FhRh和至少一種選自Pd、Co、Ir、Pt、Ni、Sb和F的元素的合金。
本發(fā)明的第一至第八方面共同的內(nèi)容此后即解釋為“本發(fā)明”的內(nèi)容。
對于本發(fā)明中反鐵磁性層的厚度沒有特別的限制，但一般在5-100nm的范圍內(nèi)，較好的在5-25nm的范圍內(nèi)。
對于本發(fā)明所用的鐵磁性層的材料種類并無特別限制，只要鐵磁性層是由居里溫度高于元件工作溫度的鐵磁性材料形成的。鐵磁性層可以是，例如一層NiFe層、一層Co層或者NiFe層和Co層結(jié)合成的雙層膜。鐵磁性層還可以選自它們的合金。鐵磁性層的厚度一般為1-10nm。
本發(fā)明中非磁性導(dǎo)電層可以使用任何材料，只要該材料在元件工作溫度下是非磁性的，且具有優(yōu)良的導(dǎo)電性。非磁性導(dǎo)電層可以是，例如Cu層或Ag層。非磁性導(dǎo)電層的厚度一般為1-5nm。
本發(fā)明中底基層的厚度(如果裝在反鐵磁性層下)，一般為1-50nm，較好的為1-20nm。
本發(fā)明的磁阻膜一般安裝于基質(zhì)上。任何材料可以用作基質(zhì)，只要它是非磁性的。基質(zhì)材料的例子包括Si、TiC、Al2O3和玻璃。
由于本發(fā)明磁阻膜中反鐵磁性層所用的的材料分別均具有優(yōu)良的耐腐蝕性，因此本發(fā)明的磁阻膜在具有巨大的磁阻的同時也具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。因而該磁阻膜可以在例如制造過程中抗腐蝕，以顯示優(yōu)良的磁阻特性。
在本發(fā)明的第七和第八方面中，底基層由具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料形成，反鐵磁性層由具有體心立方或體心四方結(jié)構(gòu)的材料形成，這使得反鐵磁性層具有有助于增強鐵磁性層和反鐵磁性層之間的交換耦合的晶體取向。這種增強的鐵磁性層和反鐵磁性層間的交換耦合使得磁阻膜具有穩(wěn)定和優(yōu)良的磁阻特性。
圖1是本發(fā)明第一方面的磁阻膜的一個實施方案的剖視圖；圖2是本發(fā)明第一方面的磁阻膜的另一個實施方案的剖視圖；圖3是表示本發(fā)明第一方面的實施方案中所用的反鐵磁性層的耐腐蝕性的圖；圖4是表示本發(fā)明第一方面的實施方案中所用的反鐵磁性層的耐腐蝕性的圖；圖5是表示本發(fā)明第一方面的實施方案中所用的反鐵磁性層的耐腐蝕性的圖；圖6是本發(fā)明第二方面的磁阻膜的一個實施方案的剖視圖；圖7是本發(fā)明第二方面的磁阻膜的另一個實施方案的剖視圖8是表示本發(fā)明第二方面的實施方案中所用的反鐵磁性層的耐腐蝕性的圖；圖9是表示本發(fā)明第二方面的實施方案中所用的反鐵磁性層的耐腐蝕性的圖；圖10是本發(fā)明第三方面的磁阻膜的一個實施方案的剖視圖；圖11是本發(fā)明第三方面的磁阻膜的另一個實施方案的剖視圖；圖12是表示本發(fā)明第三方面的實施方案中所用的反鐵磁性層的耐腐蝕性的圖；圖13是本發(fā)明第四方面的磁阻膜的一個實施方案的剖視圖；圖14是本發(fā)明第四方面的磁阻膜的另一個實施方案的剖視圖；圖15是表示本發(fā)明第四方面的實施方案中所用的反鐵磁性層的耐腐蝕性的圖；圖16是使用潛態(tài)電位測量計時，反鐵磁性膜的電流-電勢曲線圖；圖17是表示每種反鐵磁性膜的腐蝕電位的圖；圖18是本發(fā)明第三和第七方面的磁阻膜的一個實施方案的剖視圖；圖19是表示圖18所示的實施方案的X射線衍射圖案的圖；圖20是表示比較磁阻膜的X射線衍射圖案的圖；圖21是Cr-FeRh-NiFe多層膜的M-H曲線圖；圖22是比較磁阻膜的M-H曲線圖；圖23是本發(fā)明第三和第七方面的磁阻膜的另一個實施方案的剖視圖；圖24是CrMo-FeRhIr-NiFe多層膜的M-H曲線圖；圖25是本發(fā)明第八方面的磁阻元件的一個實施方案的剖視圖；圖26是表示本發(fā)明第三方面的另一個實施方案中所用的反鐵磁性層的耐腐蝕性的圖；圖27是表示本發(fā)明第三方面的另一個實施方案中所用的反鐵磁性層的耐腐蝕性的圖；圖28是本發(fā)明第三和第七方面的磁阻膜的另一個實施方案的剖視圖；圖29是表示本發(fā)明第三方面的另一個實施方案中所用的反鐵磁性層的耐腐蝕性的圖；圖30是本發(fā)明第五方面的磁阻膜的一個實施方案的剖視圖；圖31是表示本發(fā)明第五方面的一個實施方案中所用的反鐵磁性層的耐腐蝕性的圖32是包括本發(fā)明磁阻膜的磁阻元件的一個示范結(jié)構(gòu)的透視圖；圖33是本發(fā)明第六方面的磁阻膜的一個實施方案的剖視圖；圖34是使用潛態(tài)電位測量計時，反鐵磁性膜的電流-電勢曲線圖；圖35是表示本發(fā)明第六方面的一個實施方案的磁阻特性的圖；圖36是表示比較磁阻膜的磁阻特性的圖。
圖1是本發(fā)明第一方面的一個磁阻膜實施方案的剖視圖。參見圖1，在玻璃基質(zhì)1上形成了例如Cr的底基層8(厚度為5nm)。在底基層8上形成反鐵磁性材料的反鐵磁性層2(厚度為15nm)，本實施方案中該反鐵磁性材料為銻基合金。在反鐵磁性層2上按如下堆疊順序形成NiFe層3(厚度為3nm)，Co層4(厚度為0.6nm)，Cu層5(厚度為2nm)，Co層6(厚度為0.6nm)和NiFe層7(厚度為3nm)。在本實施方案中，NiFe層3和7均由Ni80Fe20形成。
第一層鐵磁性層包括NiFe層3和Co層4。Cu層5作為非磁性導(dǎo)電層形成于第一鐵磁性層上。在Cu層5上，形成第二鐵磁性層，它包括Co層6和NiFe層7。
反鐵磁性層2與NiFe層3和Co層4很強地交換耦合，NiFe層3和Co層4處于所謂被牽制狀態(tài)(pinned state)。如果不存在外加磁場，或者外加磁場很弱，那么包括Co層6和NiFe層7的第二鐵磁性層的磁化方向與包括NiFe層3和Co層4的第一鐵磁性層的磁化方向相平行。當(dāng)接著在反平行方向施加強的外磁場時，包括Co層6和NiFe層7的第二鐵磁性層的磁化呈反平行取向排列。當(dāng)這種變化發(fā)生時，將會發(fā)現(xiàn)磁阻比有顯著變化。因此，圖1所示的磁阻膜可稱為旋閥磁阻膜。
Cr層8是反鐵磁性層2的底基層。反鐵磁性層2配置于這樣的底基層8上，能起到提高反鐵磁性層2的膜性能的作用。底基層8可以由周期表的IVa族、Va族和VI族的金屬元素(如Zr、Ta或Hf)形成。
圖2是本發(fā)明第一方面的另一個磁阻膜實施方案的剖視圖。在本實施方案中，磁阻膜中的反鐵磁性層2遠(yuǎn)離基質(zhì)1成為最高層。如圖2所示，在玻璃基質(zhì)1上，按如下堆疊順序形成NiFe層7、Co層6、Cu層5、Co層4和NiFe層3。在NiFe層3上形成反鐵磁性材料的反鐵磁性層2，在本實施方案中，該反鐵磁性材料為銻基合金。每層的膜厚度與圖1所示的實施方案中的相應(yīng)層的膜厚度基本相同。在本發(fā)明中，將圖1實施方案的磁阻膜中從層2至層7的這些層的堆疊順序顛倒過來，就是圖2所示的實施方案。
對于形成圖1和圖2所示的磁阻膜中每層薄膜的技術(shù)并無特別限制，可以是例如離子束濺射。
接著，對圖1和圖2所示的特定磁阻膜進行測試。分別將三種反鐵磁性材料(即CrSb、FeSb2和(Mn0.2Cr0.8)50Sb50)用作反鐵磁性層2來制備各個磁阻膜。圖1和2的磁阻膜的磁阻特性可與包含F(xiàn)eMn層作為反鐵磁性層2的常規(guī)磁阻膜相比，或比之優(yōu)越。
另外，分別對圖1和2的磁阻膜實施方案和常規(guī)磁阻膜在260℃進行熱處理10個小時，在熱處理之后測定其磁阻特性。結(jié)果表明，該磁阻膜實施方案的磁阻特性下降程度比常規(guī)磁阻膜的磁阻特性下降程度要小得多。我們也是這樣認(rèn)為的，因為本實施方案所用的各種反鐵磁性材料(即銻基合金)的奈耳溫度高于常規(guī)使用的材料FeMn的奈耳溫度。那些材料的奈耳溫度如下所列FeMn 478K(205℃)CrSb 720K(447℃)FeSb2773K(500℃)(Mn0.2Cr0.8)50Sb50600K(327℃)另外，對本實施方案中所用的每種反鐵磁性材料進行耐腐蝕性的測試。將一層Co層、一層NiFe層和一層CrSb層按此堆疊順序形成于硅氧烷基質(zhì)上，制得用于耐腐蝕性測試的樣品薄膜。結(jié)果如圖3所示。為了比較，將一層Co層、一層NiFe層和一層FeMn層按此堆疊順序形成于硅氧烷基質(zhì)上，制得用于耐腐蝕性測試的比較樣品薄膜。每層的膜厚度與圖1和2所示的實施方案中的相應(yīng)層的膜厚度相同。將100個樣品浸入20℃的凈化水中5個小時。從凈化水中將它們?nèi)〕?，然后將它們置于掃描式電子顯微鏡(SEM)下觀察。計數(shù)產(chǎn)生腐蝕坑的樣品數(shù)，確定產(chǎn)生腐蝕坑的概率(％)。從圖3中明顯看出，反鐵磁性CrSb層具有比常規(guī)的FeMn層高得多的耐腐蝕性能。
同樣地，分別使用FeSb2和(Mn0.2Cr0.8)50Sb50作為反鐵磁性層來制備樣品薄膜，用于測量產(chǎn)生腐蝕坑的概率。結(jié)果見圖4和5。從圖4和5可明顯看出，本發(fā)明第一方面的各種實施方案所用的反鐵磁性層具有比常規(guī)的FeMn層高得多的耐腐蝕性能。
圖6是本發(fā)明第二方面的一個磁阻膜實施方案的剖視圖。在玻璃基質(zhì)1上形成底基層8，在底基層8上形成CoF3或FeF3的反鐵磁性層12(厚度為5nm)。在反鐵磁性層12上形成類似于圖1的實施方案的其它層，構(gòu)成磁阻膜。由于除了反鐵磁性層12以外的其它層均類似于圖1的實施方案中的那些層，故對于相同的層用相同的編號表示，以省去對它們的解釋。
圖7是本發(fā)明第二方面的另一個磁阻膜實施方案的剖視圖。如圖7所示，在本實施方案中，圖6的磁阻膜實施方案中的層12和層3至層7的堆疊順序被顛倒過來了，以致反鐵磁性層12成為最高層。既然反鐵磁性層12成為本實施方案的最高層，那么底基層8就省略了。與此相反，圖6的實施方案中，底基層8形成于基質(zhì)1上。
分別將兩種層(即CoF3層和FeF3層)用作反鐵磁性層12來制備圖6和圖7中所示的磁阻膜，用于測量它們的磁阻特性。所制備的磁阻膜的磁阻特性可與包含F(xiàn)eMn層作為反鐵磁性層的常規(guī)磁阻膜相比，或比之優(yōu)越。
同上，分別將CoF3層和FeF3層作為反鐵磁性層，堆疊在包括Co層和NiFe層的雙層膜上以制備樣品薄膜，用于測量產(chǎn)生腐蝕坑的概率。結(jié)果見圖8和9。圖8為CoF3層的測量結(jié)果。圖9為FeF3層的測量結(jié)果。從圖8和9可明顯看出，反鐵磁性的CoF3層和FeF3層均具有比常規(guī)的反鐵磁性FeMn層高得多的耐腐蝕性能。
圖10是本發(fā)明第三方面的一個磁阻膜實施方案的剖視圖。如圖10所示，在基質(zhì)1上形成底基層8，在底基層8上形成Fe50Rh35Pd15的反鐵磁性層22(厚度為5nm)。在反鐵磁性層22上形成類似于圖1的實施方案的其它層，構(gòu)成磁阻膜。由于除了反鐵磁性層22以外的其它層均類似于圖1的實施方案中的這些層，故對于相同的層用相同的編號表示，以省去對它們的解釋。
圖11是本發(fā)明第三方面的另一個磁阻膜實施方案的剖視圖。在本實施方案中，圖10的磁阻膜實施方案中的層22和層3至層7的堆疊順序被顛倒過來了，以致反鐵磁性層22成為最高層。NiFe層7直接形成于基質(zhì)1上，省略了底基層8。與此相反，圖10的實施方案中，底基層8形成于基質(zhì)1上。
測量圖10和11的磁阻膜實施方案各自的磁阻特性。它們的磁阻特性可與包含F(xiàn)eMn層作為反鐵磁性層的常規(guī)磁阻膜相比，或比之優(yōu)越。
按上述方式制備磁阻膜實施方案的樣品用來測量產(chǎn)生腐蝕坑的概率。結(jié)果見圖12。從圖12可明顯看出，本實施方案所用的作為反鐵磁性層的Fe50Rh35Pd15層具有比常規(guī)的FeMn層高得多的耐腐蝕性能。
圖13是本發(fā)明第四方面的一個磁阻膜實施方案的剖視圖。如圖13所示，在玻璃基質(zhì)1上形成底基層8，在底基層8上形成FeS的反鐵磁性層32(厚度為5nm)。在反鐵磁性層32上形成類似于圖1的實施方案的其它層，構(gòu)成磁阻膜。由于除了反鐵磁性層32以外的其它層均類似于圖1的實施方案中的這些層，故對于相同的層用相同的編號表示，以省去對它們的解釋。
圖14是本發(fā)明第四方面的另一個磁阻膜實施方案的剖視圖。如圖14所示，在本實施方案中，圖13的磁阻膜實施方案中的層32和層3至層7的堆疊順序被顛倒過來了，以致反鐵磁性層32成為最高層。NiFe層7直接形成于基質(zhì)1上，省略了底基層8。
測量圖13和14的磁阻膜實施方案各自的磁阻特性。它們的磁阻特性可與包含F(xiàn)eMn層作為反鐵磁性層的常規(guī)磁阻膜相比，或比之優(yōu)越。
另外，分別對圖13和14的磁阻膜實施方案和用于比較的常規(guī)磁阻膜在260℃進行熱處理10個小時，以便在熱處理之后測定它們各自的磁阻特性。包括FeMn層作為反鐵磁性層的常規(guī)磁阻膜的磁阻特性有顯著下降，然而，包括FeS層作為反鐵磁性層的磁阻膜實施方案的磁阻特性只有稍稍的下降。我們也是這樣認(rèn)為的，因為FeS的奈耳溫度(613K(340℃))高于FeMn的奈耳溫度(478K(205℃))。
按上述相同的方式測量FeS反鐵磁性層產(chǎn)生腐蝕坑的概率。結(jié)果見圖15。從圖15可見，F(xiàn)eS反鐵磁性層具有比常規(guī)FeMn層高得多的耐腐蝕性能。
圖16是使用潛態(tài)電位測量計測量時，反鐵磁性層(膜厚度為50nm)的電流-電勢曲線圖。圖16示出了常規(guī)FeMn反鐵磁性層的電流-電勢曲線，還示出了本發(fā)明FeRh和CrSb反鐵磁性層的電流-電勢曲線。按圖16中FeMn數(shù)據(jù)曲線上所示的方式確定每種材料的腐蝕電位，它表示每種材料的耐腐蝕水平。隨著電勢繼續(xù)增加，電流開始增加。沿著電流增加的斜率作回歸線。該線在x軸上的截距就作為腐蝕電位。圖17示出了每種材料的腐蝕電位。從圖17可明顯看出，本發(fā)明中反鐵磁性層所用的FeRh和CrSb的腐蝕電位高于常規(guī)的反鐵磁性層所用的FeMn的腐蝕電位。還表明，使用FeRh或CrSb作為反鐵磁性層可以提高反鐵磁性層的耐腐蝕性能。
圖18是本發(fā)明第三和第七方面的一個磁阻膜實施方案的剖視圖。參見圖18，在玻璃基質(zhì)1上形成了Cr的底基層18(膜厚度為10nm)，Cr是具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料。在底基層18上形成FeRh的反鐵磁性層42(膜厚度為50nm)，F(xiàn)eRh是具有體心立方結(jié)構(gòu)的反鐵磁性材料。與上述實施方案相似，在反鐵磁性42上以下列堆疊順序形成NiFe層3、Co層4、Cu層5、Co層6和NiFe層7，構(gòu)成旋閥磁阻膜。在此，作為反鐵磁性層42的FeRh具有Fe50Rh50的組成。
每一層均通過射頻濺射(RF sputtering)技術(shù)形成。氬氣的氣壓設(shè)置在1毫乇，射頻功率設(shè)置在100瓦。在底基層18的膜形成期間基質(zhì)溫度保持在150℃或更高，在其它層的膜形成期間，基質(zhì)溫度保持在室溫。膜形成速率控制在約2-5埃/秒。
圖19是表示圖18所示的多層膜實施方案的X射線衍射圖案的圖。圖20是表示比較多層膜的X射線衍射圖案的圖，在該比較多層膜中，從圖18的實施方案中去除底基層18，直接在基質(zhì)1上形成FeRh層42。如圖19所示，在譜圖中出現(xiàn)Cr底基層的(200)晶面峰和FeRh的(200)晶面峰。由此確定，Cr層沿(100)晶面取向，F(xiàn)eRh層沿(100)晶面取向。一般來說，(100)晶面的峰較難出現(xiàn)于X射線衍射圖案中。因此，通過(200)晶面的峰來確定取向。另一方面，在去除Cr底基層的比較實施例中，如圖20所示，F(xiàn)eRh層沿(110)晶面取向。
圖21是由Cr(10nm)/FeRh(50nm)/NiFe(5nm)組成的多層膜的M-H曲線圖。圖22是由FeRh(50nm)/NiFe(5nm)組成的比較多層膜的M-H曲線圖，該比較多層膜去除了Cr層，在基質(zhì)上直接形成FeRh層。比較圖21和圖22，可以明顯看出，Cr底基層的存在起到了增強反鐵磁性層和鐵磁性層的交換耦合場的作用。
圖23是本發(fā)明第三和第七方面的另一個磁阻膜實施方案的剖視圖。在本實施方案中，在玻璃基質(zhì)1上形成了CrMo的底基層28(膜厚度為20nm)，CrMo是具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料。在底基層28上形成FeRhIr的反鐵磁性層52(膜厚度為50nm)，F(xiàn)eRhIr是具有體心立方結(jié)構(gòu)的反鐵磁性材料。與上述圖18實施方案相似，在反鐵磁性層52上以下列堆疊順序形成NiFe層3、Co層4、Cu層5、Co層6和NiFe層7，構(gòu)成旋閥磁阻膜。在此，作為反鐵磁性層52的FeRhIr具有Fe50Rh35Ir15的組成。
構(gòu)成磁阻膜的每一層是通過射頻濺射技術(shù)形成的，類似于圖18所示的實施方案。
圖24是由CrMo(20nm)/FeRhIr(50nm)/NiFe(5nm)組成的多層膜的M-H曲線圖。從圖24可明顯看出，在本實施方案的反鐵磁性層和鐵磁性層之間也產(chǎn)生了巨大的交換耦合場。
圖25是本發(fā)明第八方面的磁阻元件的一個實施方案的透視圖。在本發(fā)明的磁阻元件中，用于控制磁阻膜10的磁疇的磁疇控制膜20排列在磁阻膜10的兩邊。該磁疇控制膜20具有多層結(jié)構(gòu)，包括鐵磁性層25形成于反鐵磁性層24之上。在本實施方案中，磁疇控制膜20還包括底基層23，位于反鐵磁性層24之下。該底基層23和反鐵磁性層24均由具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料形成。在本實施方案中，底基層23由CrMo層(膜厚度為20nm)組成，反鐵磁性層24由FeRhIr層(膜厚度為50nm)組成。鐵磁性層25由NiFe層(膜厚度為20nm)組成。
因為底基層23的存在，本發(fā)明的磁疇控制膜20中的反鐵磁性層24也沿(100)晶面取向，與圖18和23各自所示的實施方案類似。因此，在反鐵磁性層24和鐵磁性層25之間產(chǎn)生了巨大的交換耦合場。因而，可以穩(wěn)定地施加一個巨大的偏磁場(bias field)于磁阻膜10上，由此能夠加強對磁疇的控制。
同樣，在磁阻膜10是本發(fā)明第七方面的磁阻膜，即由具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料的底基層、具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料的反鐵磁性層、第一鐵磁性層、非磁性導(dǎo)電層和第二鐵磁性層以此堆疊順序組成的旋閥磁阻膜的情況下，磁阻膜10的底基層和磁疇控制膜20的底基層23可以由相同的材料形成。此外，磁阻膜10的反鐵磁性層和磁疇控制膜20的反鐵磁性層24也可以由相同的材料形成。在此情況下，磁阻膜10和磁疇控制膜20各自的底基層可以通過相同的膜形成方法來形成。同樣地，磁阻膜10和磁疇控制膜20各自的反鐵磁性層也可以通過相同的膜形成方法來形成。這使得它們的形成簡單且有效。
另外，在第七和第八方面的磁阻膜中，如果反鐵磁性層由具有體心四方結(jié)構(gòu)的材料形成或者反鐵磁性層的優(yōu)先取向晶面是(001)晶面的話，可以得到類似的上述效果。
雖然在以上實施方案中對組成磁阻膜或磁疇控制膜的各層的材料種類作了具體描述，但是本發(fā)明不限于這些材料?？梢赃m當(dāng)?shù)厥褂闷渌牧?。同樣，在那些沒有特別說明具有磁疇控制膜的實施方案中，應(yīng)該理解，可以進一步加入通常在磁阻元件中使用的磁疇控制膜(如縱向或橫向的偏磁層)。
圖26表示了本發(fā)明第三方面中用作反鐵磁性層的Fe50Rh50產(chǎn)生腐蝕坑的概率的測量結(jié)果。按上述相同的方式制備樣品薄膜，即在基質(zhì)上以下列堆疊順序形成Co層、NiFe層和作為測量對象的反鐵磁性層。從圖26可明顯看出，用作反鐵磁性層的Fe50Rh50層的耐腐蝕性能與常規(guī)的FeMn層相比，具有顯著的優(yōu)越性。
圖27表示了本發(fā)明第三方面中用作反鐵磁性層的Fe50Rh35Ir15產(chǎn)生腐蝕坑的概率的測量結(jié)果。按從圖27可明顯看出，用作反鐵磁性層的Fe50Rh35Ir15層的耐腐蝕性能與常規(guī)的FeMn層相比，具有顯著的優(yōu)越性。
圖28是本發(fā)明第三和第七方面的又一個磁阻膜實施方案的剖視圖。在本實施方案中，在玻璃基質(zhì)1上形成了Cr的底基層18(膜厚度為10nm)，Cr是具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料。在底基層18上形成FeRhPt的反鐵磁性層62(膜厚度為50nm)，F(xiàn)eRhPt是具有體心立方結(jié)構(gòu)的反鐵磁性材料。與圖18所示的實施方案相似，在反鐵磁性62上以下列堆疊順序形成NiFe層3、Co層4、Cu層5、Co層6和NiFe層7，構(gòu)成旋閥磁阻膜。在此，用作反鐵磁性層62的FeRhPt具有Fe50Rh35Pt15的組成。
具有體心立方結(jié)構(gòu)的FeRhPt層形成于具有體心立方結(jié)構(gòu)的Cr層18上(類似于圖18所示的實施方案)，起到了提供穩(wěn)定和優(yōu)良的磁阻特性的作用。
圖29表示了本發(fā)明第三方面中用作反鐵磁性層的FeRhPt產(chǎn)生腐蝕坑的概率的測量結(jié)果。從圖29中可明顯看出，F(xiàn)eRhPt層具有比常規(guī)FeMn層高得多的耐腐蝕性能。
圖30是本發(fā)明第五方面的一個磁阻膜實施方案的剖視圖。參見圖30，在玻璃基質(zhì)1上形成了Cr的底基層18(膜厚度為10nm)，Cr是具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料。在底基層18上形成CrAl的反鐵磁性層72(膜厚度為50nm)，CrAl是一種反鐵磁性材料。與圖18所示的實施方案相似，在反鐵磁性72上以下列堆疊順序形成NiFe層3、Co層4、Cu層5、Co層6和NiFe層7，構(gòu)成旋閥磁阻膜。在此，用作反鐵磁性層72的CrAl具有Cr60Al40的組成。如圖30所示，本發(fā)明第五方面的CrAl反鐵磁性層最好形成于由具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料形成的底基層上。在這種底基層上形成反鐵磁性層，可以使得反鐵磁性層具有優(yōu)良的結(jié)晶度，從而得到穩(wěn)定和優(yōu)良的磁阻特性。
圖31表示了Cr60Al40的反鐵磁性層產(chǎn)生腐蝕坑的概率的測量結(jié)果。從圖31中可明顯看出，Cr60Al40層具有比常規(guī)FeMn層高得多的耐腐蝕性能。
圖32是應(yīng)用了本發(fā)明磁阻膜的磁阻元件的結(jié)構(gòu)透視圖。本實施方案的磁阻元件包括在磁阻膜10的兩邊有磁疇控制膜20，類似于圖25所示的實施方案。圖32還示出，在磁疇控制膜20上有電極30。電極30是為了向磁阻膜提供電流，并且為了電壓讀數(shù)。電極30由Cu制成。
以上述方式，在基質(zhì)上形成磁阻膜10、磁疇控制膜20和其它。然后，對與接觸空氣的表面(air-bearing surface，ABS)相當(dāng)?shù)谋砻媸┘訏伖狻Ｊ褂玫湍透g性能的反鐵磁性層一般會在拋光過程中產(chǎn)生腐蝕。而第三方面的FeRh基合金反鐵磁性層和第五方面的CrAl基合金反鐵磁性層即使在這樣的拋光過程中也沒有產(chǎn)生腐蝕坑，這顯示了其特別優(yōu)異的耐腐蝕性能。
圖33是本發(fā)明第六方面的一個磁阻膜實施方案的剖視圖。在本實施方案中，在玻璃基質(zhì)43上形成Ta底基層44(膜厚度為6.5nm)。在Ta底基層44上形成Co鐵磁性層45(膜厚度為5nm)、Cu非磁性導(dǎo)電層(膜厚度為2.5nm)以及Co鐵磁性層47(膜厚度為3nm)。在Co鐵磁性層47上形成IrMnCo反鐵磁性層48(膜厚度為15nm)。在IrMnCo反鐵磁性層48上形成作為保護層的Ta層49(膜厚度為5nm)。
在本發(fā)明的第六方面中，將Co加入IrMn基合金中以提高其耐腐蝕性能，IrMn基合金的耐腐蝕性一般較差。Co加入IrMn基合金的加入量較好的不超過30原子百分?jǐn)?shù)，更好的在0.1-20原子百分?jǐn)?shù)的范圍內(nèi)。
圖34是使用潛態(tài)電位測量計測量時，反鐵磁性膜的電流-電勢曲線圖。圖34顯示了分別加入了0、1、5和10原子百分?jǐn)?shù)的Co的Ir25Mn75反鐵磁性層的測量結(jié)果。通過在玻璃基質(zhì)上形成厚度為100埃的各個反鐵磁性層制備得到用于測量的樣品薄膜。從圖34可明顯看出，腐蝕電位隨著Co加入量的增加而增加，從而得到更高的耐腐蝕性能。
圖35是表示圖33所示的磁阻膜的磁阻特性的圖，在該磁阻膜中，將(Ir25Mn75)90Co10即加入10原子百分?jǐn)?shù)Co的Ir25Mn75基合金用作反鐵磁性層48。同樣，圖36是表示比較磁阻膜的磁阻特性的圖，該比較磁阻膜中將Ir25Mn75用作反鐵磁性層。
根據(jù)使用磁阻膜的本發(fā)明的第六方面，比較圖35和圖36可明顯看出，耐腐蝕性能可以大大提高而不會損失磁阻特性。
在圖33所示的實施方案中，各層被描述成以下列順序堆疊鐵磁性層/非磁性導(dǎo)電層/鐵磁性層/反鐵磁性層。另外，這種堆疊順序也可以顛倒過來，即各層可以反鐵磁性層/鐵磁性層/非磁性導(dǎo)電層/鐵磁性層的順序堆疊。另外，可以應(yīng)用雙重型的多層結(jié)構(gòu)，例如包括反鐵磁性層/鐵磁性層/非磁性導(dǎo)電層/鐵磁性層/非磁性導(dǎo)電層/鐵磁性層/反鐵磁性層。
本發(fā)明的磁阻膜使用具有高度耐腐蝕性的材料來形成反鐵磁性層，由此得到比包含F(xiàn)eMn層作為反鐵磁性層的常規(guī)磁阻膜強得多的耐腐蝕性。
另外，本發(fā)明第一和第四方面的磁阻膜使用具有較高奈耳溫度的反鐵磁性材料，因而得到比常規(guī)磁阻膜優(yōu)越的耐熱性。
另外，在本發(fā)明第七方面的磁阻膜中，將由具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料形成的底基層置于由具有體心立方或體心四方結(jié)構(gòu)的材料形成的反鐵磁性層之下，由此能夠使得磁阻膜的晶面取向以致反鐵磁性層和鐵磁性層產(chǎn)生巨大交換耦合場，因而得到穩(wěn)定和優(yōu)良的磁阻特性。
此外，在本發(fā)明第八方面的磁阻元件中，將底基層置于磁疇控制膜的反鐵磁性層之下。該底基層由具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料形成，該反鐵磁性層由具有體心立方或體心四方結(jié)構(gòu)的材料形成。這樣的構(gòu)造可以向磁阻膜施加穩(wěn)定的偏磁場，得到較好的磁疇控制。
權(quán)利要求
1.具有多層結(jié)構(gòu)的磁阻膜，所述多層結(jié)構(gòu)包括第一鐵磁性層；第二鐵磁性層；插入所述第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層；和與所述第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層；其中，所述反鐵磁性層包括反鐵磁性的銻基合金。
2.如權(quán)利要求1所述的磁阻膜，其特征在于所述反鐵磁性的銻基合金是CrSb、FeSb2或(MnxCr1-x)YSb100-Y(0≤X≤0.3，40≤Y≤60)。
3.如權(quán)利要求2所述的磁阻膜，其特征在于所述反鐵磁性的銻基合金為(MnxCr1-x)50Sb50(0≤x≤0.3)。
4.具有多層結(jié)構(gòu)的磁阻膜，所述多層結(jié)構(gòu)包括第一鐵磁性層；第二鐵磁性層；插入所述第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層；和與所述第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層；其中，所述反鐵磁性層包括反鐵磁性的氟化物。
5.如權(quán)利要求4所述的磁阻膜，其特征在于所述反鐵磁性的氟化物為CoF3或FeF3。
6.具有多層結(jié)構(gòu)的磁阻膜，所述多層結(jié)構(gòu)包括第一鐵磁性層；第二鐵磁性層；插入所述第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層；和與所述第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層；其中，所述反鐵磁性層包括FeRh基合金。
7.如權(quán)利要求6所述的磁阻膜，其特征在于所述FeRh基合金是FexRh100-x(40≤x≤60)。
8.如權(quán)利要求6所述的磁阻膜，其特征在于所述FeRh基合金包含至少一種選自Pt、Ir、Pd、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Re和Os的金屬元素。
9.如權(quán)利要求6所述的磁阻膜，其特征在于所述FeRh基合金為Fex(Rh1-YPtY)100-x(40≤x≤60，0＜y≤0.5)。
10.如權(quán)利要求6所述的磁阻膜，其特征在于所述FeRh基合金為Fex(Rh1-YIrY)100-x(40≤x≤60，0＜y≤0.5)。
11.如權(quán)利要求6所述的磁阻膜，其特征在于所述FeRh基合金為Fex(Rh1-YPdY)100-x(40≤x≤60，0＜y≤0.5)。
12.具有多層結(jié)構(gòu)的磁阻膜，所述多層結(jié)構(gòu)包括第一鐵磁性層；第二鐵磁性層；插入所述第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層；和與所述第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層；其中，所述反鐵磁性層包括FeRh或Fe50Rh50-xPdx(x≤30)。
13.具有多層結(jié)構(gòu)的磁阻膜，所述多層結(jié)構(gòu)包括第一鐵磁性層；第二鐵磁性層；插入所述第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層；和與所述第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層；其中，所述反鐵磁性層包括FeS。
14.具有多層結(jié)構(gòu)的磁阻膜，所述多層結(jié)構(gòu)包括第一鐵磁性層；第二鐵磁性層；插入所述第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層；和與所述第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層；其中，所述反鐵磁性層包括IrMnCo基合金。
15.如權(quán)利要求14所述的磁阻膜，其特征在于所述IrMnCo基合金是(IrMn)100-xCox(0＜x≤30)。
16.如權(quán)利要求15所述的磁阻膜，其特征在于所述IrMnCo基合金是(Ir25Mn75)100-xCox(0＜x≤30)。
17.具有多層結(jié)構(gòu)的磁阻膜，所述多層結(jié)構(gòu)包括第一鐵磁性層；第二鐵磁性層；插入所述第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層；和與所述第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層；其中，所述反鐵磁性層包括CrAl基合金。
18.如權(quán)利要求17所述的磁阻膜，其特征在于所述CrAl基合金是CrxAl100-x(50≤x≤80)。
19.如權(quán)利要求1-18中任一項所述的磁阻膜，其特征在于它還包括反鐵磁性層的底基層，所述底基層包括至少一種位于周期表的IVa族、Va族或VIa族的金屬材料，或者具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料。
20.如權(quán)利要求1-19中任一項所述的磁阻膜，其特征在于所述鐵磁性層包括NiFe層和Co層組成的多層膜。
21.如權(quán)利要求1-20中任一項所述的磁阻膜，其特征在于所述非磁性導(dǎo)電層為Cu層。
22.具有多層結(jié)構(gòu)的磁阻膜，所述多層結(jié)構(gòu)包括第一鐵磁性層；第二鐵磁性層；插入所述第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層；與所述第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層；和置于所述反鐵磁性層之下的底基層；其中，所述反鐵磁性層包括具有體心立方或體心四方結(jié)構(gòu)的材料，所述底基層包括具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料。
23.如權(quán)利要求22所述的磁阻膜，其特征在于所述底基層包括Cr；Cr和至少一種選自Ta、Zr、Nb、Fe、W、V、Mo、Hf、Cs和Rb的元素的合金；Ta；或者Ta和至少一種選自Zr和Nb的元素的合金。
24.如權(quán)利要求22或23所述的磁阻膜，其特征在于所述反鐵磁性層包括至少一種選自Fe、Mn和Cr的元素與至少一種選自Rh、Pd、Co、Ir、Pt、Ni、Sb和F的元素的合金。
25.如權(quán)利要求22-24中任一項所述的磁阻膜，其特征在于所述底基層的優(yōu)先取向晶面為(100)晶面。
26.如權(quán)利要求22-25中任一項所述的磁阻膜，其特征在于所述反鐵磁性層的優(yōu)先取向晶面為(100)晶面或(001)晶面。
27.如權(quán)利要求22-26中任一項所述的磁阻膜，其特征在于所述底基層由Cr形成，所述反鐵磁性層由FeRh基合金形成。
28.磁阻元件，包括磁阻膜；和用于控制所述磁阻膜的磁疇的具有多層結(jié)構(gòu)的磁疇控制膜，所述多層結(jié)構(gòu)包括反鐵磁性層，包括一種具有體心立方或體心四方結(jié)構(gòu)的材料，位于所述反鐵磁性層之上的鐵磁性層，以及位于所述反鐵磁性層之下的底基層，該底基層包括一種具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料。
29.如權(quán)利要求28所述的磁阻元件，其特征在于所述磁阻膜為權(quán)利要求22-27中任一項所述的磁阻膜，所述磁阻膜的底基層和所述磁疇控制膜的底基層是由相同材料形成的，所述磁阻膜的反鐵磁性層和所述磁疇控制膜的反鐵磁性層是由相同材料形成的。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種磁阻膜,它具有多層結(jié)構(gòu),包括:第一鐵磁性層,第二鐵磁性層,插入第一和第二鐵磁性層之間的非磁性導(dǎo)電層,與第一和第二鐵磁性層中的一層相耦合的反鐵磁性層。反鐵磁性層包括選自銻基合金、氟化物、FeRh基合金、FeS、IrMnCo基合金和CrAl基合金的反鐵磁性材料。
文檔編號H01F10/32GK1192589SQ9712266
公開日1998年9月9日 申請日期1997年11月18日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月18日
發(fā)明者藤田政行, 前田篤志, 及川悟, 山野耕治, 久米實 申請人:三洋電機株式會社