CN101150169A - CoFeB层构成固定层至少一部分的隧道型磁检测元件及其制法 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及由Mg-O形成绝缘障壁层的隧道型磁检测元件,提供可以得到高电阻变化率(ΔR/R)的隧道型磁检测元件及其制造方法。第2固定磁性层(4c),从下面起,以由CoFeB或FeB形成的第1磁性层(4c1)、以及由CoFe或Fe形成的第2磁性层(4c2)的顺序层叠。所述第2固定磁性层(4c)上,形成有由Mg-O构成的绝缘障壁层(5)。像这样通过使第2固定磁性层(4c)为CoFeB或FeB/CoFe或Fe的层叠构造,可以得到高电阻变化率(ΔR/R)。

Description

CoFeB层构成固定层至少一部分的隧道型磁检测元件及其制法
技术区域
本发明涉及例如搭载于硬盘装置或作为MRAM(磁阻存储器)使用的隧道型磁检测元件,特别是涉及使用Mg-O作为绝缘障壁层时,可以得到高电阻变化率(ΔR/R)的隧道型磁检测元件及其制造方法。
背景技术
隧道型磁检测元件,是利用隧道效应产生电阻变化的元件,固定磁性层的磁化和自由磁性层的磁化反平行时,隧道电流变得不容易流过设于所述固定磁性层和自由磁性层之间的绝缘障壁层(隧道障壁层),电阻值达到最大,另一方面,所述固定磁性层的磁化和自由磁性层的磁化平行时,所述隧道电流最容易流动,电阻值达到最小。
利用该原理,通过使自由磁性层的磁化受外部磁场的影响产生变动,作为电压变化获取变化的电阻,检测出来自记录介质的漏磁场。
作为隧道型磁检测元件的重要特性,有电阻变化率(ΔR/R)、RA(元件电阻R×面积A)等,为了使这些特性达到最优化,对绝缘障壁层、形成于所述绝缘障壁层上下的固定磁性层以及自由磁性层的材质、膜结构进行了改良。
下述专利文献1以及专利文献2,记载有隧道型磁检测元件。作为相关技术,列举有专利文献1(日本特开2004-179667)号公报和专利文献2(日本特开2005-197764)号公报。
隧道型磁检测元件的课题之一,列举有通过得到高电阻变化率(ΔR/R),提高检测灵敏度,提高再生头的特性。为了提高隧道型磁检测元件的电阻变化率(ΔR/R),得知在与绝缘障壁层的界面使用旋转极化率高的材料等,合理化自由磁性层或固定磁性层的组成,以及合理化绝缘障壁层和自由磁性层的结晶构造很重要。
然而,改变所述绝缘障壁层的材质,电阻变化率(ΔR/R)所代表的特性也会发生变化,因此,有必要对所述绝缘障壁层的材质分别进行研究。
例如,在从下面起,以反铁磁性层、固定磁性层、绝缘障壁层以及自由磁性层的顺序层叠的结构中,所述固定磁性层的结构为,从下面起为第1固定磁性层、非磁性中间层、以及第2固定磁性层的层叠氧化铁(フエリ)构造,由Mg-O形成所述绝缘障壁层时,以往,由CoFeB形成所述第2固定磁性层。
对于CoFeB,若提高B浓度,则在非热处理(as depo)状态下,非结晶处于支配地位。由此,通过以非结晶方式形成所述第2固定磁性层,从而,形成于其上面的绝缘障壁层以及自由磁性层,不容易受所述第2固定磁性层下的结晶取向的影响,考虑通过提高结晶取向性,增大电阻变化率(ΔR/R)。
但是,即使在隧道型磁检测元件的制造过程中施加热处理,所述第2固定磁性层也难以从非结晶状态充分结晶化,其结果,在上述构成中,不能谋求结晶取向性的充分提高,不能得到高电阻变化率(ΔR/R)。
图12表示,利用从下面起,以基础层:Ta(30)/晶种(seed)层:Ru(40)/反铁磁性层:IrMn(70)/固定磁性层[第1固定磁性层:Co70at%Fe30at%(22)/非磁性中间层:Ru(9.1)/第2固定磁性层:(Co50%Fe50%)100-YBY(20)]/绝缘障壁层:Mg-O(11)/自由磁性层[增强层:Co50at%Fe50at%(10)/软磁性层:Ni87at%Fe13at%(50)]/保护层[Ru(20)/Ta(180)]的顺序层叠的层叠体,形成第2固定磁性层的CoFeB的B组成比Y变化时的电阻变化率(ΔR/R)。并且括弧内的数值表示平均膜厚,单位是。另外在实验中,对所述层叠体,在270℃的温度下,进行3小时30分钟的退火处理。
如图12所示,若使B组成比Y为15~20at%左右,则可以增大电阻变化率(ΔR/R),但这还不是充分大的电阻变化率(ΔR/R)。另外如图12所示,B组成比Y的变动使电阻变化率(ΔR/R)变动很大,不能得到稳定的高电阻变化率(ΔR/R)。另外推测,增大B组成比Y,在非热处理(as depo)状态下可以促进非结晶化,但是如图12所示,不能得到高电阻变化率(ΔR/R),热处理不能促进结晶化。
上述专利文献1中,记载有与绝缘障壁层相接的增强层的膜厚为2nm以下的磁检测元件,作为绝缘障壁层,记载有使用Al-O或Mg-O的情况,但是实施例中,都用氧化铝(Al-O)作为绝缘障壁层。
另外,专利文献2中记载的隧道型磁检测元件,屏蔽层使用微结晶材料,通过抑制绝缘障壁层的表面粗糙度,可以得到高输出。另外,记载有作为固定层使用CoFe或CoFeB的情况,但是没有记载由Mg-O形成绝缘障壁层的情况。
像这样,哪个专利文献都没有涉及到具备Mg-O形成的绝缘障壁层的隧道型磁检测元件。另外,通过合理化自由磁性层或固定磁性层的组成或结构,谋求元件特性的提高。即,哪个专利文献都没有记载为了提高元件的电阻变化率(ΔR/R),谋求合理化绝缘障壁层或自由磁性层、固定磁性层的结晶结构。
发明内容
本发明为了解决以往课题,目的在于提供隧道型磁检测元件及其制造方法,特别是,由Mg-O形成绝缘障壁层的隧道型磁检测元件,通过合理化绝缘障壁层的结晶构造,可以得到高电阻变化率(ΔR/R)。
本发明的隧道型磁检测元件,从下面起,以磁化被固定的固定磁性层、绝缘障壁层、磁化相对于外部磁场变动的自由磁性层的顺序层叠,或者从下面起,以所述自由磁性层、所述绝缘障壁层、所述固定磁性层的顺序层叠,
所述绝缘障壁层由Mg-O形成,
构成所述固定磁性层的至少一部分,且与所述绝缘障壁层相接的障壁层侧磁性层由以下构成:由CoFeB或FeB形成的第1磁性区域;位于所述第1磁性区域和所述绝缘障壁层之间的、由CoFe或Fe形成的第2磁性区域。
本发明优选,所述第1磁性区域中,存在从与所述第2磁性区域的边界的相反侧,朝向所述第2磁性区域,B浓度逐渐减少的组成调制区域。
另外本发明优选,所述障壁层侧磁性层是层叠了由CoFeB或FeB形成的第1磁性层、和位于所述第1磁性层与绝缘障壁层之间的由CoFe或Fe形成的第2磁性层的层叠构造,在该层叠构造的所述第1磁性层与所述第2磁性层的界面产生了元素扩散。
另外本发明的隧道型磁检测元件,从下面起,以磁化被固定的固定磁性层、绝缘障壁层、磁化相对于外部磁场变动的自由磁性层的顺序层叠,或者从下面起,以所述自由磁性层、所述绝缘障壁层、所述固定磁性层的顺序层叠,
所述绝缘障壁层由Mg-O形成,
构成所述固定磁性层的至少一部分,且与所述绝缘障壁层相接的障壁层侧磁性层由以下层的层叠构造形成:由CoFeB或FeB形成的第1磁性层;位于所述第1磁性层与所述绝缘障壁层之间,由CoFe或Fe形成的第2磁性层。
在本发明中,如上所述,得知由Mg-O形成绝缘障壁层的隧道型磁检测元件,与由CoFeB单层形成固定磁性层的现有例相比,能得到足够高的电阻变化率(ΔR/R)。
在本发明中,优选所述第1磁性层由(CoXFe100-X)100-YBY形成,B组成比Y为15~30at%。
另外在本发明中,优选所述第1磁性层的平均膜厚为10~30。
另外在本发明中,优选所述第2磁性层由CoZFe100-Z形成,Co组成比Z为0~80at%。
另外,在本发明中,优选所述第2磁性层的平均膜厚为6~12。
由此,可以有效得到高电阻变化率(ΔR/R)。
另外,在本发明中,适宜的是所述障壁层侧磁性层、所述绝缘障壁层、以及至少所述自由磁性层的与所述绝缘障壁层相接的部分,在与膜面平行的面上,作为代表性的{100}面表示的等价的体心立方结构的结晶面优先取向。由此,可以有效得到高电阻变化率(ΔR/R)。
另外,在本发明中,优选所述固定磁性层是第1固定磁性层和第2固定磁性层夹着非磁性中间层层叠的层叠氧化铁构造,所述第2固定磁性层是与所述绝缘障壁层相接的所述障壁层侧磁性层。
另外,在本发明中,优选所述自由磁性层层叠有:与所述绝缘障壁层相接且由CoFe形成的增强层和由NiFe合金形成的软磁性层。
另外,本发明是一种隧道型磁检测元件的制造方法,所述隧道型磁检测元件具备:从下面起,以磁化方向被固定的固定磁性层、绝缘障壁层、以及磁化方向相对于外部磁场可变动的自由磁性层的顺序层叠的层叠部分,其中,具备如下工序:
(a)在由CoFeB或FeB形成的第1磁性层上层叠由CoFe或Fe形成的第2磁性层,形成构成所述固定磁性层的至少一部分的障壁层侧磁性层的工序;
(b)在所述障壁层侧磁性层上形成由Mg-O构成的绝缘障壁层的工序;
(c)在所述绝缘障壁层上形成所述自由磁性层的工序。
或者,本发明一种隧道型磁检测元件的制造方法,所述隧道型磁检测元件具备:从下面起,以磁化方向相对于外部磁场可变动的自由磁性层、绝缘障壁层、以及磁化方向被固定的固定磁性层的顺序层叠的层叠部分,其中,具备如下工序:
(d)形成所述自由磁性层的工序;
(e)在所述自由磁性层上形成由Mg-O构成的绝缘障壁层的工序;
(f)在所述绝缘障壁层上层叠由CoFe或Fe形成的第2磁性层以及由CoFeB或FeB形成的第1磁性层,形成构成所述固定磁性层的至少一部分的障壁层侧磁性层的工序。
在本发明中,根据上述制造方法,在由Mg-O形成绝缘障壁层的隧道型磁检测元件中,与以往相比,可以简单并且确切的制造高电阻变化率(ΔR/R)的隧道型磁检测元件。
在本发明中,优选形成所述第1磁性层时,由(CoXFe100-X)100-YBY形成所述第1磁性层,此时,在15~30at%的范围内调整B组成比Y。
另外,在本发明中,优选所述第1磁性层以10~30的平均膜厚形成。
另外,在本发明中,优选形成所述第2磁性层时,由CoZFe100-Z形成所述第2磁性层,此时,在0~80at%的范围内调整Co组成比Z。
另外,在本发明中,优选所述第2磁性层以6~12的平均膜厚形成。
由此,可以有效得到高电阻变化率(ΔR/R)。
另外在本发明中,优选形成所述绝缘障壁层时,形成Mg层,之后,氧化所述Mg层,形成由Mg-O构成的所述绝缘障壁层,或者使用Mg-O的靶,形成由Mg-O构成的所述绝缘障壁层。
在本发明中,优选形成所述层叠部分后,进行退火处理。根据退火处理的条件,所述障壁层侧磁性层的内部发生元素扩散,可以形成B浓度的组成调制区域。
发明效果
在本发明中,在使用Mg-O作为绝缘障壁层的隧道型磁检测元件中,可以得到高电阻变化率(ΔR/R)。
附图说明
图1是在与记录介质的相对面平行的面,截断本发明的一个实施方式的隧道型磁检测元件的截面图;
图2放大表示图1所示的第2固定磁性层4c附近,是表示特别在第1磁性层和第2磁性层的界面产生元素扩散的部分放大截面图,和表示B浓度的组成调制的图;
图3是与图2不同形式的放大图1所示的第2固定磁性层4c附近的部分放大截面图,和表示B浓度的组成调制的图;
图4是表示本发明的一个实施方式的隧道型磁检测元件的制造方法的一个工序图(在与记录介质的相对面平行的面,截断制造工序中的所述隧道型磁检测元件的截面图);
图5是接着图4进行的一个工序图(在与记录介质的相对面平行的面,截断制造工序中的所述隧道型磁检测元件的截面图);
图6是接着图5进行的一个工序图(在与记录介质的相对面平行的面,截断制造工序中的所述隧道型磁检测元件的截面图);
图7是接着图6进行的一个工序图(在与记录介质的相对面平行的面,截断制造工序中的所述隧道型磁检测元件的截面图);
图8是表示第2固定磁性层具备由第1磁性层和第2磁性层2层构成的结构,以及具备第1磁性层单层的结构的隧道型磁检测元件的RA和电阻变化率(ΔR/R)的关系的图;
图9是表示第2固定磁性层具备由第1磁性层和第2磁性层2层构成的结构的隧道型磁检测元件的第1磁性层的膜厚和电阻变化率(ΔR/R)的关系的图;
图10是表示第2固定磁性层具备由第1磁性层和第2磁性层2层构成的结构的隧道型磁检测元件的第2磁性层的膜厚和电阻变化率(ΔR/R)的关系的图;
图11是表示第2固定磁性层具备由第1磁性层和第2磁性层2层构成的结构的隧道型磁检测元件的第2磁性层的膜厚和层间结合磁场(Hin)的关系的图;
图12表示在以往结构的隧道型磁检测元件中,第2固定磁性层(第1磁性层)的B组成和电阻变化率(ΔR/R)的关系的图。
具体实施方式
图1是在与记录介质的相对面平行的面,截断本发明的一个实施方式的隧道型磁检测元件(隧道型磁阻效应元件)的截面图。
隧道型磁检测元件,设置于硬盘装置上设置的浮上式滑块的拖尾侧端部等,检测硬盘等的记录磁场。或者所述隧道型磁检测元件,也用于MRAM(磁阻存储器)等。
另外,图中的X方向为轨道宽度方向,Y方向是指来自磁记录介质的漏磁场的方向(高度方向),Z方向表示硬盘等磁记录介质的移动方向以及所述隧道型磁检测元件各层的层叠方向。
形成于图1最下边的是例如由NiFe合金形成的下部屏蔽(shield)层21。所述下部屏蔽层21上形成有层叠体T1。并且所述隧道型磁检测元件由以下构成:所述层叠体T1;形成于所述层叠体T1的轨道宽度方向(图示X方向)两侧的下侧绝缘层22;硬偏压(hard bias)层23;上侧绝缘层24。
所述层叠体T1的最下层,是由Ta、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo、W中的1种或2种以上元素等的非磁性材料形成的基础层1。该基础层1上,设有晶种(seed)层2。所述晶种层2,例如由Ru、NiFeCr形成。例如,如果所述晶种层2由NiFeCr形成,则所述晶种层2,与膜面平行的方向上作为代表性{111}面表示的等价的面心立方(fcc)构造的结晶面优先取向。另外,晶种层2由Ru形成时,所述晶种层2,与膜面平行的方向上作为代表性{000}面表示的等价的密排六方(hcp)构造的结晶面优先取向。另外,也可以不形成所述基础层1。
形成于所述晶种层2上的反铁磁性层3,优选由含有元素α(其中,α为Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os中1种或2种以上的元素)和Mn的反铁磁性材料形成。
使用了这些铂族元素的α-Mn合金,具有耐腐蚀性优良,另外阻塞(blocking)温度也高,并且还可以增大交换结合磁场(Hex)等作为反铁磁性材料的优良特性。
另外所述反铁磁性层3,也可以由含有元素α和元素α′(其中,元素α′为Ne、Ar、Kr、Xe、Be、B、C、N、Mg、Al、Si、P、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Ag、Cd、Sn、Hf、Ta、W、Re、Au、Pb以及稀土类元素中1种或2种以上元素)和Mn的反铁磁性材料形成。
所述反铁磁性层3上形成有固定磁性层4。所述固定磁性层4,从下面起,是以第1固定磁性层4a、非磁性中间层4b、第2固定磁性层(障壁层侧磁性层)4c的顺序层叠的层叠氧化铁构造。通过在与所述反铁磁性层3界面的交换结合磁场以及经过非磁性中间层4b的反铁磁性交换结合磁场(RKKY的相互作用),所述第1固定磁性层4a和第2固定磁性层4c的磁化方向相互呈反平行状态。这被称为所谓的层叠氧化铁构造,该结构可以使所述固定磁性层4的磁化处于稳定状态,并且在表面上可以增大所述固定磁性层4和反铁磁性层3的界面产生的交换结合磁场。并且,所述第1固定磁性层4a例如形成为1.2~3.2nm(12~32),非磁性中间层4b形成为0.8~1nm(8~10)左右,第2固定磁性层4c形成1.6~4.2nm(16~42)。
所述第1固定磁性层4a由CoFe、NiFe、CoFeNi等强磁性材料形成。另外非磁性中间层4b由Ru、Rh、Ir、Cr、Re、Cu等非磁性导电材料形成。
在本发明的一个实施方式中,所述第2固定磁性层4c进一步由以下构成:CoFeB或FeB形成的第1磁性层4c1;CoFe或Fe形成的第2磁性层4c2。
形成于所述固定磁性层4上的绝缘障壁层5,由Mg-O(氧化镁)形成。所述绝缘障壁层5的膜厚为0.6~1.2nm左右。Mg-O优选Mg组成比在40~60at%的范围内,最优选的是Mg50at%O50at%
并且,所述绝缘障壁层5与所述第2固定磁性层4c间,也可以设有膜厚非常薄(例如1~6)的Mg层。
所述绝缘障壁层5上,形成有自由磁性层6。所述自由磁性层6,由以下构成:软磁性层6b,其由NiFe合金等磁性材料形成;增强(enhance)层6a,其设于所述软磁性层6b和所述绝缘障壁层5之间,由CoFe合金形成。所述软磁性层6b,优选由软磁特性优良的磁性材料形成,所述增强层6a,由旋转极化率大于所述软磁性层6b的磁性材料形成。通过旋转极化率大的CoFe合金形成所述增强层6a,可以提高电阻变化率(ΔR/R)。
另外,所述自由磁性层6,也可以是隔着非磁性中间层层叠多个磁性层的层叠氧化铁构造。另外,由所述自由磁性层6的轨道宽度方向(图示X方向)的宽度尺寸决定轨道宽度Tw。
所述自由磁性层6上,形成有由Ta等形成的保护层7。
所述层叠体T1的轨道宽度方向(图示X方向)的两侧端面12形成倾斜面,从下侧向上侧所述轨道宽度方向的宽度尺寸逐渐减小。
如图1所示,从在所述层叠体T1的两侧伸展的下部屏蔽层21上开始,到所述层叠体T1的两侧端面12上,形成有下侧绝缘层22,所述下侧绝缘层22上形成有硬偏压层23,并且所述硬偏压层23上形成有上侧绝缘层24。
所述下侧绝缘层22与所述硬偏压层23之间,也可以形成偏压基础层(图中未表示)。所述偏压基础层,例如由Cr、W、Ti形成。
所述绝缘层22、24,由Al2O3或SiO2等绝缘材料形成,为了抑制在所述层叠体T1内与各层的界面垂直方向流动的电流,向所述层叠体T1的轨道宽度方向两侧分流,使所述硬偏压层23上下绝缘。所述硬偏压层23例如由Co-Pt(钴-铂)合金或Co-Cr-Pt(钴-铬-铂)合金等形成。
所述层叠体T1上以及上侧绝缘层24上,形成有由NiFe合金等形成的上部屏蔽层26。
在图1所示的实施方式中,所述下部屏蔽层21以及上部屏蔽层26,作为相对于所述层叠体T1的电极层发挥作用,电流在相对于所述层叠体T1的各层的膜面的垂直方向(与图示Z方向平行的方向)流动。
所述自由磁性层6,接受来自所述硬偏压层23的偏压磁场,在与轨道宽度方向(图示X方向)平行的方向被磁化。另一方面,构成固定磁性层4的第1固定磁性层4a和第2固定磁性层4c在与高度方向(图示Y方向)平行的方向被磁化。因为所述固定磁性层4为层叠氧化铁构造,所以第1固定磁性层4a和第2固定磁性层4c各自被反平行磁化。所述固定磁性层4的磁化被固定(外部磁场不会引起磁化变动),所述自由磁性层6的磁化根据外部磁场发生变动。
若所述自由磁性层6根据外部磁场发生磁化变动,则在第2固定磁性层4c与自由磁性层6的磁化反平行时,通过设于所述第2固定磁性层4c和自由磁性层6之间的绝缘障壁层5的隧道电流不易流动,电阻值达到最大,另一方面,第2固定磁性层4c与自由磁性层6的磁化平行时,所述隧道电流最容易流动,电阻值达到最小。
利用该原理,通过使自由磁性层6的磁化受外部磁场影响发生变动,作为电压变化获取变化的电阻,检测出来自记录介质的漏磁场。
对图1的实施方式的特征部分进行说明。
图1中所述绝缘障壁层5,由Mg-O(氧化镁)形成。构成所述绝缘障壁层5的下面形成的固定磁性层4的第2固定磁性层4c与所述绝缘障壁层5相接形成。所述第2固定磁性层4c进一步由以下构成:由CoFeB或FeB形成的第1磁性层4c1;位于所述第1磁性层4c1与所述绝缘障壁层5之间,由CoFe或Fe形成的第2磁性层4c2。
采用上述构成,根据后述试验,得知与CoFeB的单层形成所述第2固定磁性层4c的现有例相比,能得到高电阻变化率(ΔR/R)。由此,能够形成即使是窄轨道化,也能够得到高头输出的隧道型磁检测元件。
如本发明的一个实施方式推测为,在非磁性中间层4b上,非热处理(asdepo)状态下,通过形成由容易非结晶化的CoFeB或FeB构成的第1磁性层4c1,所述第1磁性层4c1的作用在于,抑制从晶种层2到非磁性中间层4b的结晶构造的结晶取向(例如面心立方结构{111}面取向)的影响,可以使形成于其上面的第2磁性层4c2、绝缘障壁层5以及自由磁性层6的结晶构造,不容易受到非磁性中间层4b为止的结晶取向的影响。在本发明的一个实施方式中,通过在第1磁性层4c1上,设置了由CoFe或Fe形成的容易结晶化的第2磁性层4c2,热处理后,第2固定磁性层4c、绝缘障壁层5以及由CoFe形成的增强层6a,作为代表性{100}面表示的等价体心立方(bcc)构造的结晶面容易优先取向。此处,“作为代表性{100}面表示的结晶面”,表示用密勒指数表示的结晶晶格面,所述作为{100}面表示的等价结晶面,存在(100)面、(-100)面、(010)面、(0-10)面、(001)面、(00-1)面。
根据以上,在本发明的一个实施方式中,与以往相比,能够得到高电阻变化率(ΔR/R)。
在本发明的一个实施方式中,第1磁性层4c1的膜厚,优选10~30的范围,16~24的范围更好。根据后述实验,第1磁性层4c1的膜厚即使发生变化,电阻变化率(ΔR/R)也没有较大的变化,但是考虑到如果第1磁性层4c1的膜厚变大,则在第2固定磁性层4c整体中所占的B含量变多,影响形成于其上面的第2磁性层4c2的结晶化,因此优选上述膜厚范围。
另外,第2磁性层4c2的膜厚,优选6~12的范围,7~11的范围更好。根据后述实验,若第2磁性层的膜厚小于6或大于12,则电阻变化率(ΔR/R)不会提高。另外,第2磁性层4c2的膜厚处于7~11的范围时,能够得到稳定的更高的高电阻变化率(ΔR/R)。根据后述其他实验,第2磁性层4c2的膜厚限制在上述范围,还可以减小作用于自由磁性层6与固定磁性层4之间的层间结合磁场(Hin)的值。另外,考虑到层间结合磁场(Hin),第2磁性层4c2的膜厚优选在上述范围中尽可能大。
在本发明的一个实施方式中,优选第1磁性层4c1由(CoXFe100-X)100 -YBY形成,B组成比Y为15~30at%。通过在上述范围中调整组成,可以得到高电阻变化率(ΔR/R)。
另外,原子比率X{Co的组成比/(Co的组成比+Fe的组成比)},优选0~80%。
优选第2磁性层4c2由CoZFe100-Z形成,Co组成比Z为0~80at%。进一步,Co组成比Z优选10~50at%。
隧道型磁检测元件,如后述在制造工序中被施加退火处理(热处理)。退火处理例如在200~310℃左右的温度进行。该退火处理是用于在构成固定磁性层4的第1固定磁性层4a与所述反铁磁性层3之间产生交换结合磁场(Hex)的磁场中退火处理等。
例如,如果所述退火处理的温度低于200℃,则认为所述第2磁性层4c2与第1磁性层4c1的界面不发生构成元素的相互扩散,或者即使产生相互扩散,也是小规模(例如不在整个界面产生扩散,只间断性产生等),几乎保持界面状态。
另一方面,如果所述退火温度处于200℃~310℃的范围内,且退火时间为4小时以上,则如图2或图3所示,认为第2磁性层4c2与第1磁性层4c1的界面发生构成元素的相互扩散,所述界面不复存在,形成B浓度的组成调制区域。
在图2所示的实施方式中,第2磁性层4c2与第1磁性层4c1的界面发生元素扩散,所述第2固定磁性层4c由以下构成:由CoFeB或FeB形成的第1磁性区域10;位于所述第1磁性区域10以及所述绝缘障壁层5之间,由CoFe或Fe形成的第2磁性区域11。
如图2所示,所述第2磁性区域11中不含B。如图2右图所示,所述第1磁性区域10中,存在着从下面侧(与非磁性中间层4b相接的界面侧)向所述第2磁性区域11,B浓度逐渐减少的组成调制区域。另外,所述第1磁性区域10的下面附近,B浓度低于其内部侧,这是因为与非磁性中间层4b之间的元素扩散降低的。
另一方面,在图3所示的实施方式中,所述第2固定磁性层4c整体由CoFeB形成,不过,B浓度在与所述绝缘障壁层5相接的上面侧小于与所述非磁性中间层4b相接的下面侧。另外,如图3所示,在所述第2固定磁性层4c中,存在从与所述非磁性中间层4b相接的下面侧朝向与所述绝缘障壁层5相接的上面侧,B浓度逐渐减少的组成调制区域。另外,如图3所示,在所述第2固定磁性层4c的下面附近,B浓度低于其内部侧,这是因为与非磁性中间层4b之间的元素扩散降低的。
另外,在图1所示的实施方式中,所述固定磁性层4是第1固定磁性层4a、非磁性中间层4b以及第2固定磁性层4c的层叠氧化铁构造,但是例如所述固定磁性层4为一层或多个磁性层层叠的结构,也可以适用本发明的一个实施方式。其中,如果所述固定磁性层4为层叠氧化铁构造,则可以更好的进行所述固定磁性层4的磁化固定,谋求再生输出的提高,因此较为合适。
在图1所示的实施方式中,是所述绝缘障壁层5形成于所述固定磁性层4上的所谓的底部型的隧道型磁检测元件,但是,绝缘障壁层5上形成固定磁性层4的所谓顶部型的层叠结构,也可以适用于本发明的一个实施方式。在顶部型中,从下面起,按照自由磁性层6、绝缘障壁层5、固定磁性层4以及反铁磁性层3的顺序层叠。构成所述固定磁性层4的第2固定磁性层4c是从下面起,以由CoFe或Fe形成的第2磁性层4c2、由CoFeB或FeB形成的第1磁性层4c1的顺序层叠的构成,或者所述第2磁性层4c2以及第1磁性层4c1元素扩散的构成。
另外,也可以适用于从下面起,下侧反铁磁性层、下侧固定磁性层、下侧绝缘障壁层、自由磁性层、上侧绝缘障壁层、上侧固定磁性层、以及上侧反铁磁性层顺序层叠而构成的双重型的隧道型磁检测元件。所述下侧固定磁性层的构成为图1~图3所示的方式,上侧固定磁性层的构成,如上述顶部型中所说明的那样。
对本发明的一个实施方式的隧道型磁检测元件的制造方法进行说明。图4至图7,是从与图1相同的方向,截断制造工序中的隧道型磁检测元件的部分截面图。
在图4所示的工序中,下部屏蔽层21上,连续成膜基础层1、晶种层2、反铁磁性层3、第1固定磁性层4a、非磁性中间层4b、以及第2固定磁性层4c。各层例如通过溅射成膜法形成。
在本发明的一个实施方式中,如图2所示,从下面起,以由CoFeB或FeB形成的第1磁性层4c1、以及由CoFe或Fe形成的第2磁性层4c2的顺序层叠形成所述第2固定磁性层4c。
此时,优选所述第1磁性层4c1由(CoXFe100-X)100-YBY形成,B组成比Y为15~30at%,原子比率X为0~80%。并且优选所述第1磁性层4c1的平均膜厚为10~30。由此,可以得到高电阻变化率(ΔR/R)。
另外,优选所述第2磁性层4c2由CoZFe100-Z形成,此时,优选在0~80at%的范围内调整Co组成比Z。并且优选所述第2磁性层4c2的平均膜厚为6~12。由此,可以得到高电阻变化率(ΔR/R)。
其次,对所述第2固定磁性层4c的表面进行等离子处理。所述等离子处理是为了提高所述第2固定磁性层4c表面的平坦性而进行的,但是本发明的一个实施方式中,在平坦性优良的第1磁性层4c1上层叠膜厚很薄的第2磁性层4c2的构造中,所述第2固定磁性层4c表面的平坦性本来就处于优良的状态,所以进行所述等离子处理是任意的。
然后,在所述第2固定磁性层4c上,形成由Mg-O构成的绝缘障壁层5。在本发明的一个实施方式中,准备由Mg-O构成的靶(target),通过RF溅射法等,直接形成由Mg-O构成的绝缘障壁层5。
另外,也可以在所述第2固定磁性层4c上溅射成膜Mg层,氧化所述Mg层形成由Mg-O构成的绝缘障壁层5。作为氧化的方法可以列举根氧化、离子氧化、等离子氧化或自然氧化等。此时,所述Mg层以2~10左右的膜厚形成。
其次,在图5所示的工序中,在所述绝缘障壁层5上,成膜增强层6a及软磁性层6b构成的自由磁性层6,以及保护层7。
在本发明的一个实施方式中,优选由Fe组成比为5at%以上、90at%以下的CoFe形成所述增强层6a。并且,优选由Ni的组成比为78at%~92at%的范围内的NiFe合金形成所述软磁性层6b。
以上,从基础层1层叠到保护层7,形成层叠体T1。
接着,所述层叠体T1上,形成提离(lift-off)用抗蚀层30,没有被所述提离用抗蚀层30覆盖的所述层叠体T1的轨道宽度方向(图示X方向)的两侧端部,通过蚀刻法等除去(参照图6)。
接着,在所述层叠体T1的轨道宽度方向(图示X方向)的两侧,所述下部屏蔽层21上,从下面起,按下侧绝缘层22、硬偏压层23、以及上侧绝缘层24的顺序层叠(参照图7)。
然后除去所述提离用抗蚀层30,在所述层叠体T1以及所述上侧绝缘层24上形成上部屏蔽层26。
在上述隧道型磁检测元件的制造方法中,在其形成过程中包含退火处理。代表性的退火处理,是用于在所述反铁磁性层3与第1固定磁性层4a之间产生交换结合磁场(Hex)的退火处理。
如果所述退火处理的温度是例如低于200℃的温度,则认为各层界面不发生构成元素的相互扩散,或者即使产生相互扩散,也是小规模(例如不在整个界面产生扩散,只间断性产生等),几乎保持界面状态。
另一方面,如果所述退火温度处于200℃~310℃的范围内,并且退火时间为4小时以上,则认为各层界面发生构成元素的相互扩散。根据这些相互扩散,所述第2固定磁性层4c内部,第1磁性层4c1与第2磁性层4c2的界面不复存在,形成B浓度的组成调制区域。
在本发明的一个实施方式中,根据上述制造方法,可以简单并且确切的制造可以得到高电阻变化率(ΔR/R)的隧道型磁检测元件。
特别是如上所述,通过使第2固定磁性层4c为第1磁性层4c1与第2磁性层4c2的2层层叠结构,与所述第2固定磁性层4c由CoFeB单层形成的现有例相比,可以得到高电阻变化率(ΔR/R)。
本发明的一个实施方式的制造方法,是所谓底部型的隧道型磁检测元件的制造方法,但是,本制造方法也可以适用所谓顶部型的隧道型磁检测元件和双重型的隧道型磁检测元件。
实施例
形成了图1所示的隧道型磁检测元件。
将层叠体T1,从下面起,以基础层1:Ta(30)/晶种层2:(Ru(40)/反铁磁性层3:IrMn(70)/固定磁性层4[第1固定磁性层4a:Co70at%Fe30at%(22)/非磁性中间层4b:Ru(9.1)/第2固定磁性层:(Co50%Fe50%)100-YBY(20)]/绝缘障壁层5:Mg-O(11)/自由磁性层6[增强层6a:Co50at%Fe50at%(10)/软磁性层6b:Ni87at%Fe13at%(50)]/保护层7[Ru(20)/Ta(180)]的顺序层叠。并且括弧内的数值表示平均膜厚,单位是。
在形成所述绝缘障壁层5之前,将所述第2固定磁性层4c的表面进行等离子处理后,利用Mg-O靶,通过溅射法,在第2固定磁性层4c上,形成所述绝缘障壁层5。
另外在实验中,对上述层叠体,在270℃的条件下,进行了3小时30分钟的退火处理。
在实验中,作为第2固定磁性层4c,形成了以下构造。
(实施例1)
从下面起,按照(Co50%Fe50%)85at%B15at%(22)/Co50at%Fe50at%(4)的顺序层叠的结构。
(实施例2)
从下面起,按照(Co50%Fe50%)77at%B23at%(20)/Co50at%Fe50at%(6)的顺序层叠的结构。
(实施例3)
从下面起,按照(Co50%Fe50%)70at%B30at%(18)/Co50at%Fe50at%(8)的顺序层叠的结构。
(实施例4)
从下面起,按照(Co50%Fe50%)70at%B30at%(t1)/Co50at%Fe50at%(8)的顺序层叠的结构,此处,第1磁性层4c1的膜厚t1分别是16、18、20、22、24。
(实施例5)
从下面起,按照(Co50%Fe50%)70at%B30at%(t1)/Co50at%Fe50at%(9)的顺序层叠的结构,此处,第1磁性层4c1的膜厚t1分别是16、18、20、22、24。
(实施例6)
从下面起,按照(Co50%Fe50%)70at%B30at%(t1)/Co50at%Fe50at%(10)的顺序层叠的结构,此处,第1磁性层4c1的膜厚t1分别是16、18、20、22、24。
(实施例7)~(实施例13)
从下面起,按照(Co50%Fe50%)70at%B30at%(20)/Co50at%Fe50at%(t2)的顺序层叠的结构,此处,第2磁性层4c2的膜厚t2分别是6、7、8、9、10、11、12。
(比较例1)
(Co50%Fe50%)80at%B20at%(26)的单层构造
上述实施例1~实施例12以及比较例1的带括号的表示平均膜厚,单位是。
对具备这些结构的第2固定磁性层4c的各隧道型磁检测元件,测定了电阻变化率(ΔR/R)、RA(元件电阻R×面积A)、以及层间结合磁场(Hin)。
图8表示关于实施例1~3以及比较例1,RA和电阻变化率(ΔR/R)的关系。并且在图8的实验中,关于实施例1~3以及比较例1的各样品,在8~12之间改变由Mg-O形成的绝缘障壁层5的厚度,使各样品的RA发生变化。
如图8所示,第2固定磁性层4c为第1磁性层4c1与第2磁性层4c2的层叠结构的实施例1~3,与由第1磁性层单层形成第2固定磁性层4c的比较例1相比,都表现出高电阻变化率(ΔR/R)。另外,与比较例1相比,实施例1~3的RA稍微有些大,可是还不至于给头特性带来很大的影响。
图9表示关于实施例4~6,第1磁性层4c1的膜厚(t1)和电阻变化率(ΔR/R)的关系。
如图9所示,得知由CoFeB形成的第1磁性层4c1的膜厚处于16~24的范围内时,电阻变化率(ΔR/R)大致可以保持相同值。
图10表示第2磁性层4c2的膜厚(t2)为6~12的实施例7~13,以及由CoFeB单层形成第2固定磁性层4c的比较例1(即第2磁性层4c2的膜厚为0)的电阻变化率(ΔR/R)。
根据图10,第2磁性层4c2的膜厚为6~12的实施例7~13,与第2磁性层4c2的膜厚为0的比较例1相比,得知电阻变化率(ΔR/R)都有所提高。还得知,第2磁性层4c2的膜厚为7~11,特别是8~10时,可以得到更高的电阻变化率(ΔR/R)。
图11表示关于实施例7~13以及比较例1,作用于自由磁性层6和固定磁性层4之间的层间结合磁场(Hin)。
根据图11得知,第2磁性层4c2的膜厚处于6~12的范围内时,与比较例1相比,可以减小层间结合磁场Hin。由此推测,与比较例1相比,本实施例的固定磁性层和绝缘障壁层的界面的平坦性有所提高。另外如图11所示,在实施例中,得知第2磁性层(CoFe层)的平均膜厚越大,层间结合磁场Hin越小。由此,当第2磁性层4c2的平均膜厚处于6~12的范围内时,优选在该范围内增加平均膜厚。
由以上实验结果可知,通过使第2固定磁性层4c为第1磁性层4c1与第2磁性层4c2的层叠结构,可以得到高电阻变化率(ΔR/R)。

Claims (20)

1.一种隧道型磁检测元件,其从下面起,以磁化被固定的固定磁性层、绝缘障壁层、磁化相对于外部磁场变动的自由磁性层的顺序层叠,或者从下面起,以所述自由磁性层、所述绝缘障壁层、所述固定磁性层的顺序层叠,
所述绝缘障壁层由Mg-O形成,
构成所述固定磁性层的至少一部分,且与所述绝缘障壁层相接的障壁层侧磁性层由以下构成:由CoFeB或FeB形成的第1磁性区域;位于所述第1磁性区域和所述绝缘障壁层之间的、由CoFe或Fe形成的第2磁性区域。
2.如权利要求1所述的隧道型磁检测元件,其中,
所述第1磁性区域中,存在从与所述第2磁性区域的边界的相反侧,朝向所述第2磁性区域,B浓度逐渐减少的组成调制区域。
3.如权利要求1所述的隧道型磁检测元件,其中,
所述障壁层侧磁性层是层叠了由CoFeB或FeB形成的第1磁性层、和位于所述第1磁性层与绝缘障壁层之间的由CoFe或Fe形成的第2磁性层的层叠构造,在该层叠构造的所述第1磁性层与所述第2磁性层的界面产生了元素扩散。
4.一种隧道型磁检测元件,其从下面起,以磁化被固定的固定磁性层、绝缘障壁层、磁化相对于外部磁场变动的自由磁性层的顺序层叠,或者从下面起,以所述自由磁性层、所述绝缘障壁层、所述固定磁性层的顺序层叠,
所述绝缘障壁层由Mg-O形成,
构成所述固定磁性层的至少一部分,且与所述绝缘障壁层相接的障壁层侧磁性层由以下层的层叠构造形成:由CoFeB或FeB形成的第1磁性层;位于所述第1磁性层与所述绝缘障壁层之间,由CoFe或Fe形成的第2磁性层。
5.如权利要求3所述的隧道型磁检测元件,其中,
所述第1磁性层由(CoxFe100-x)100-YBY形成,B组成比Y为1 5~30at%。
6.如权利要求3所述的隧道型磁检测元件,其中,
所述第1磁性层的平均膜厚为10~30。
7.如权利要求3所述的隧道型磁检测元件,其中,
所述第2磁性层由CozFe100-z形成,Co组成比Z为0~80at%。
8.如权利要求4所述的隧道型磁检测元件,其中,
所述第2磁性层的平均膜厚为6~12。
9.如权利要求1所述的隧道型磁检测元件,其中,
所述障壁层侧磁性层、所述绝缘障壁层、以及至少所述自由磁性层的与所述绝缘障壁层相接的部分,在与膜面平行的面上,作为代表性的{100}面表示的等价的体心立方结构的结晶面优先取向。
10.如权利要求1所述的隧道型磁检测元件,其中,
所述固定磁性层是第1固定磁性层和第2固定磁性层夹着非磁性中间层层叠的层叠氧化铁构造,所述第2固定磁性层是与所述绝缘障壁层相接的所述障壁层侧磁性层。
11.如权利要求1所述的隧道型磁检测元件,其中,
所述自由磁性层层叠有:与所述绝缘障壁层相接且由CoFe形成的增强层和由NiFe合金形成的软磁性层。
12.一种隧道型磁检测元件的制造方法,所述隧道型磁检测元件具备:从下面起,以磁化方向被固定的固定磁性层、绝缘障壁层、以及磁化方向相对于外部磁场可变动的自由磁性层的顺序层叠的层叠部分,其中,所述隧道型磁检测元件的制造方法具备如下工序:
(a)在由CoFeB或FeB形成的第1磁性层上层叠由CoFe或Fe形成的第2磁性层,形成构成所述固定磁性层的至少一部分的障壁层侧磁性层的工序;
(b)在所述障壁层侧磁性层上形成由Mg-O构成的绝缘障壁层的工序;
(c)在所述绝缘障壁层上形成所述自由磁性层的工序。
13.一种隧道型磁检测元件的制造方法,所述隧道型磁检测元件具备:从下面起,以磁化方向相对于外部磁场可变动的自由磁性层、绝缘障壁层、以及磁化方向被固定的固定磁性层的顺序层叠的层叠部分,其中,所述隧道型磁检测元件的制造方法具备如下工序:
(d)形成所述自由磁性层的工序;
(e)在所述自由磁性层上形成由Mg-O构成的绝缘障壁层的工序;
(f)在所述绝缘障壁层上层叠由CoFe或Fe形成的第2磁性层以及由CoFeB或FeB形成的第1磁性层,形成构成所述固定磁性层的至少一部分的障壁层侧磁性层的工序。
14.如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法,其中,
形成所述第1磁性层时,由(CoxFe100-x)100-YBY形成所述第1磁性层,此时,在15~30at%的范围内调整B组成比Y。
15.如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法,其中,
所述第1磁性层以10~30的平均膜厚形成。
16.如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法,其中,
形成所述第2磁性层时,由CoZFe100-Z形成所述第2磁性层,此时,在0~80at%的范围内调整Co组成比Z。
17.如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法,其中,
所述第2磁性层以6~12的平均膜厚形成。
18.如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法,其中,
形成所述绝缘障壁层时,形成Mg层,之后,氧化所述Mg层,形成由Mg-O构成的所述绝缘障壁层。
19.如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法,其中,
形成所述绝缘障壁层时,使用Mg-O的靶,形成由Mg-O构成的所述绝缘障壁层。
20.如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法,其中,
形成所述层叠部分后,进行退火处理。
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