CN101183704B - 隧道磁阻器件、其制造方法、磁头及磁存储器 - Google Patents

隧道磁阻器件、其制造方法、磁头及磁存储器 Download PDF

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Abstract

一种隧道磁阻器件、其制造方法、磁头及磁存储器，在该隧道磁阻器件中，势垒层设置在被钉扎层上，该被钉扎层由具有固定磁化方向的铁磁材料制成，该势垒层具有允许电子以隧道现象穿过的厚度。第一自由层设置在该势垒层上，该第一自由层由在外部磁场下磁化方向发生改变的非晶或微晶软磁材料制成。第二自由层设置在该第一自由层上，该第二自由层由在外部磁场下磁化方向发生改变的晶体软磁材料制成，该第二自由层与该第一自由层交互耦合。在第一与第二自由层之间设置有结晶抑制层，该结晶抑制层通过延续第二自由层的晶体结构来防止第一自由层结晶。本发明提供了具有良好的磁特性并且可抑制隧道电阻变化率变低的隧道磁阻器件。

Description

隧道磁阻器件、其制造方法、磁头及磁存储器
相关申请的交叉参考 
本申请基于并要求2006年11月14日申请的日本专利申请No.2006-307987的优先权，该申请的全部内容于此并入参考。 
技术领域
本申请涉及一种隧道磁阻器件及其制造方法，并且更加特别地涉及一种随着外部磁场而改变电阻的隧道磁阻器件及其制造方法，该隧道磁阻器件可应用于磁记录设备的读出磁头(reproducing head)和磁存储器。 
背景技术
在具有“金属/绝缘膜/金属”结构的结中，该结构由绝缘膜和将绝缘膜夹入中间的金属膜构成，当在相对的金属层上施加电压时，如果绝缘膜非常薄，那么有小的电流流过。通常，电流不流过绝缘膜。然而，如果绝缘膜非常薄，例如几nm或更薄，由于量子力学效应，电子以一定几率穿过绝缘膜。穿过绝缘膜的电子流称作“隧道电流”，并且其结构称作“隧道结”。 
通常，将金属氧化物膜用作隧道结的绝缘膜。例如，通过自然氧化、等离子体氧化或热氧化铝的表面层，形成薄氧化铝绝缘膜。通过控制氧化条件，能够形成适用于隧道结并且具有几nm厚度的绝缘膜。 
具有隧道结的器件表现出非线性电流-电压特性，并且用作非线性器件。 
由铁磁材料制成相对金属层的隧道结结构称作“铁磁隧道结”。铁磁隧道结的隧穿几率(隧道电阻)依赖于相对铁磁材料的磁化状态。因此，通过施加外部磁场来控制磁化状态，可改变隧道电阻。隧道电阻R可用下面的方程式表示： 
R＝Rs+0.5ΔR(1-cosθ) 
其中，θ是相对铁磁材料的磁化方向之间的相对角。Rs表示在磁化方向的相对角θ为0时、也就是在磁化方向平行时的隧道电阻，而ΔR表 示在磁化方向的相对角θ为180°时、也就是在磁化方向逆平行时的隧道电阻与在磁化方向平行时的隧道电阻之间的差异，。 
隧道电阻随着铁磁材料的磁化方向而改变的现象，导致铁磁材料中电子极化。通常在金属中存在处于向上自旋状态的自旋向上电子以及处于向下自旋状态的自旋向下电子。在非磁性金属中，存在相同数量的自旋向上电子和自旋向下电子。因此总体上不表现磁性。在铁磁材料中，自旋向上电子的数量(Nup)与自旋向下电子的数量(Ndown)是不同的，以致于铁磁材料总体上表现出自旋向上磁性或自旋向下磁性。 
众所周知，当电子通过隧道现象穿过势垒层时，电子保持其自旋状态。因此，如果在作为目的地的隧道(tunnel destination)铁电材料中存在空的电子量子能级，则电子能穿过势垒层。如果没有空的电子量子能极，则电子不能穿过势垒层。 
隧道电阻的变化率ΔR/Rs用下面的方程式表示： 
ΔR/Rs＝2P1P2/(1-P1P2) 
其中，P1和P2是位于势垒层两侧的铁电材料的自旋极化率。自旋极化率由下面的方程式给出： 
P＝2(Nup-Ndown)/(Nup+Ndown) 
例如，NiFe、Co和CoFe的自旋极化率分别是0.3、0.34和0.46。因此，理论上可以实现约20％、26％和54％的隧道电阻变化率。隧道电阻的变化率大于通过各向异性磁阻(AMR)效应和巨磁阻(GMR)效应引起的电阻变化率。因此，期望使用隧道磁阻器件的磁头对于高分辨率的磁性记录/再现是有效的(例如，参考日本专利公开No.2871670)。 
已经提出了隧道磁阻器件，其具有使用氧化镁(MgO)作为势垒层且使用单晶铁(Fe)作为铁电材料层的Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)层叠结构(参考Yuasa等人，Nature Materials vol.3(2004)p.868-p.871)。“(001)”表示单晶的(001)面朝向与衬底表面平行的方向。据报导，这样的隧道磁阻器件在室温下表现出200％或更高的隧道电阻变化率。 
据报导，使用非晶CoFe取代单晶Fe而具有CoFe/MgO(001)/CoFe层叠结构的隧道磁阻器件，在室温下表现出220％的隧道电阻变化率(参考Parkin等人，Nature Materials vol.3(2004)p.862-p.867)。此外，据报导，具有 CoFeB/MgO/CoFeB层叠结构的隧道磁阻器件表现出很高的隧道电阻变化率(参考Tsunekawa等人，Effect of Capping Layer Material on TunnelMagnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic Tunnel Junctions，InternationalMagnetic Conference 2005，HP-08，p.992)。 
图9A示出了由CoFeB/MgO/CoFeB层叠结构组成的隧道磁阻器件的示例。具有50nm厚度的Ta底层101、具有15nm厚度的PtMn钉扎层102、具有3nm厚度的CoFe第一被钉扎层103、具有0.8nm厚度的Ru非磁耦合层104、具有3nm厚度的CoFeB第二被钉扎层105、具有2nm厚度的MgO势垒层106、具有3nm厚度的CoFeB自由层107、具有10nm厚度的Ta第一盖层108、以及具有10nm厚度的Ru第二盖层109，依次形成在支撑衬底100之上，该支撑衬底100由Si或SiO2形成。 
图9B示出外部磁场和电阻变化率之间的关系。电阻变化率由(R-Rs)/Rs来定义，其中Rs为当被钉扎层103和105的磁化方向与自由层107的磁化方向平行时的器件电阻，而R为当施加外部磁场时的器件电阻。可以看出，得到了约200％的最大电阻变化率。 
发明内容
在将隧道磁阻器件应用于磁头时，需要具有期望的磁特性，即磁化特性、磁弹性特性、矫顽力、磁各向异性等等。例如，从图9B中示出的测量结果可以知道，需要约50Os的磁场(矫顽力)以使隧道磁阻器件的自由层107的磁化反转。为了将器件应用于磁头，需要降低矫顽力。通过在由CoFeB制成的自由层107上堆叠具有比CoFeB小的矫顽力的软磁材料使有效矫顽力降低。 
如果具有小矫顽力的软磁材料例如NiFe堆叠在CoFeB的自由层上，电阻变化率降低。这一点记载在上面引用的由Tsunekawa等写的文献中。 
本发明的一个目的是提供一种具有良好磁特性并且能够抑制隧道电阻变化率变低的隧道磁阻器件。本发明的另一个目的是提供所述隧道磁阻器件的制造方法。 
根据本发明的一个方案，提供一种隧道磁阻器件，包括： 
被钉扎层，由具有固定磁化方向的铁磁材料制成； 
势垒层，设置在该被钉扎层上，并且具有允许电子以隧道现象穿过的厚度； 
第一自由层，设置在该势垒层上，并且由在外部磁场下磁化方向发生改变的非晶或微晶软磁材料制成；以及 
第二自由层，设置在该第一自由层上，并且由在外部磁场下磁化方向发生改变的晶体软磁材料制成，该第二自由层与该第一自由层交互耦合； 
其中，进一步包括设置在该第一自由层与该第二自由层之间的结晶抑制层，该结晶抑制层通过延续该第二自由层的晶体结构来防止该第一自由层结晶。 
根据本发明的另一方案，提供一种隧道磁阻器件的制造方法，包括以下步骤： 
(a)在支撑衬底上形成钉扎层，该钉扎层由反铁磁材料制成； 
(b)在该钉扎层上形成被钉扎层，该被钉扎层由铁磁材料制成，该被钉扎层的磁化方向通过与该钉扎层的交互作用而固定； 
(c)在该被钉扎层上形成势垒层，该势垒层具有允许电子以隧道现象穿过的厚度； 
(d)在该势垒层上形成第一自由层，该第一自由层由非晶或微晶软磁材料制成； 
(e)将该第一自由层的表面暴露于氮等离子体； 
(f)在已暴露于氮等离子体的该第一自由层上形成第二自由层，该第二自由层由晶体软磁材料制成；以及 
(g)通过将该支撑衬底与该第二自由层之间的层叠结构体置于磁场中对该钉扎层进行规则化热处理工艺； 
其中在不会从该第一自由层与该第二自由层之间的界面向该第一自由层的内部进行结晶的条件下，进行该步骤(g)。 
根据本发明又一个方案，提供一种隧道磁阻器件的制造方法，包括以下步骤： 
(a)在支撑衬底上形成钉扎层，该钉扎层由反铁磁材料制成； 
(b)在该钉扎层上形成被钉扎层，该被钉扎层由铁磁材料制成，该被钉扎层的磁化方向通过与该钉扎层的交互作用而固定； 
(c)在该被钉扎层上形成势垒层，该势垒层具有允许电子以隧道现象穿过的厚度； 
(d)在该势垒层上形成第一自由层，该第一自由层由非晶或微晶软磁材料制成； 
(e)在该第一自由层上形成结晶抑制层； 
(f)在该结晶抑制层上形成第二自由层，该第二自由层由晶体软磁材料制成；以及 
(g)通过将该支撑衬底与该第二自由层之间的层叠结构体置于磁场中，对该钉扎层进行规则化热处理工艺， 
其中，在进行该步骤(g)期间，该结晶抑制层通过延续该第二自由层的晶体结构来抑制该第一自由层结晶。 
根据本发明的又一方案，提供一种设有隧道磁阻器件的磁头。 
根据本发明的又一方案，提供一种磁存储器，包括： 
隧道磁阻器件； 
记录装置，用于向该隧道磁阻器件施加磁场以改变该隧道磁阻器件的第一自由层和第二自由层的磁化方向；以及 
再现装置，用于将感测电流通入该隧道磁阻器件以检测该隧道磁阻器件的电阻。 
由于该第一自由层为非晶或微晶体，因此与第一自由层为(111)取向的情况相比，获得了更大的电阻变化。 
附图说明
图1A和图1B是根据第一实施例的隧道磁阻器件的截面图和平面图。 
图2A至图2D是在第一实施例的制造过程中，隧道磁阻器件的截面图。 
图3A和图3B分别是示出第一实施例和比较示例的隧道磁阻器件的电阻变化率与施加的磁场之间关系的曲线图。 
图4A和图4B分别是第一实施例和比较示例的隧道磁阻器件截面中的TEM照片。 
图5是根据第二实施例的隧道磁阻器件的截面图。 
图6A和图6B分别是示出第二实施例和比较示例的隧道磁阻器件的电阻变化率与施加的磁场之间关系的曲线图。 
图7是使用第一和第二实施例的各个隧道磁阻器件的磁头前视图。 
图8A是使用第一和第二实施例的各个隧道磁阻器件的MRAM的截面图，而图8B是MRAM的等效电路。 
图9A是传统隧道磁阻器件的截面图，而图9B是示出电阻变化率与施加的磁场之间关系的曲线图。 
具体实施方式
图1A和图1B是根据第一实施例的隧道磁阻器件的截面图和平面图。图1A对应图1B沿点划线1A-1A的截面图。 
如图1A中所示，NiFe导电层12形成在支撑衬底10上，该支撑衬底10具有形成在Si上的SiO2膜。例如AlTiC之类的陶瓷材料和石英玻璃等其它材料可用作支撑衬底10的材料。NiFe导电层12的表面通过化学机械抛光(CMP)平坦化。圆柱形的隧道磁阻器件40形成在导电层12的局部区域上。 
通过依次层叠第一底层13、第二底层14、钉扎层18、第一被钉扎层20、非磁耦合层21、第二被钉扎层22、势垒层25、第一自由层30、第二自由层32、第一盖层35和第二盖层36，形成隧道磁阻器件40。 
第一底层13由Ta制成并且具有约5nm的厚度。第一底层13可由Cu或Au制成，或者是这些材料的叠层。第二底层14由Ru制成并且具有约2nm的厚度。 
钉扎层18由IrMn制成并且具有约7nm的厚度。钉扎层18可由除IrMn之外的反铁磁材料制成，例如Mn和选自Pt、Pd、Ni、Ir和Rh中的至少一种元素的合金。钉扎层18的厚度优选在5nm至30nm的范围内，并且更优选地在10nm至20nm的范围内。在沉积钉扎层18后，通过在磁场中进行热处理而使钉扎层18规则化，钉扎层18表现反铁磁性。 
第一被钉扎层20由Co74Fe26制成并且具有例如2nm的厚度。非磁耦合层21由Ru制成并且具有例如0.8nm的厚度。第二被钉扎层22由Co60Fe20B20 制成并且具有例如2nm的厚度。第一被钉扎层20通过与钉扎层18的交互作用，其磁化方向固定为特定方向。也就是，即使施加了外部磁场，如果磁场强度比交互作用弱，第一被钉扎层20的磁化方向不改变。第一被钉扎层20和第二被钉扎层22通过非磁耦合层21而反铁磁地交互耦合。 
非磁耦合层21的厚度设置在允许第一被钉扎层20和第二被钉扎层22彼此反铁磁地交互耦合的范围内。所述厚度在0.4nm至1.5nm的范围内，并且优选地在0.4nm至0.9nm的范围内。第一被钉扎层20和第二被钉扎层22可由包含Co、Ni和Fe之一的铁磁材料制成。除了Ru，非磁耦合层21还可 由非磁材料例如Rh、Ir、Ru基合金、Rh基合金和Ir基合金制成。包含Ru和选自Co、Cr、Fe、Ni和Mn中的至少一种元素的合金，可被引用作为Ru基合金的一个示例。 
第一被钉扎层20的磁化方向和第二被钉扎层22的磁化方向为逆平行的，使得来自第一被钉扎层20和第二被钉扎层22的净泄漏磁场的强度降低。这减轻了泄漏磁场使第一自由层30和第二自由层32的磁化方向改变的不利影响。因此，第一自由层30和第二自由层32的磁化能够准确地响应来自磁记录介质的泄漏磁场，并且提高了对记录在磁记录介质中的磁化的检测准确性。 
势垒层25由MgO制成并且具有例如1.0nm的厚度。优选的是，MgO势垒层25为晶体，并且特别优选的是，MgO(001)面的取向通常与衬底表面平行。从良好膜品质的观点来看，势垒层25的厚度优选在0.7nm至2.0nm的范围内。除了MgO，势垒层25还可由AlOx、TiOx、ZrOx、AlN、TiN、ZrN等制成。如果势垒层25由MgO以外的材料制成，其厚度优选在0.5nm至2.0nm的范围内，并且更优选地在0.7nm至1.2nm的范围内。 
第一自由层30由非晶Co60Fe20B20制成并且具有约2nm的厚度。从第一自由层30容易为非晶的观点来看，B浓度优选在10原子％(原子百分比)至25原子％的范围内。除了CoFeB，第一自由层30还可由加入了选自B、C、Al、Si和Zr中的至少一种元素的软磁材料制成。 
第二自由层32由Ni80Fe20制成并且具有例如4nm的厚度。第二自由层32由具有小于第一自由层30的矫顽力的软磁材料制成。取代NiFe，CoNiFe可被引用作为第二自由层32的材料，该CoNiFe具有允许为面心立方结构的成分。选自B、C、Al、Si和Zr中的至少一种元素可加入到NiFe和CoNiFe中。将加入元素的浓度设置为比第一自由层30中加入的元素的浓度低。 
通过铁磁耦合具有较小矫顽力的第二自由层32和第一自由层30，提高了对外部磁场改变的灵敏度。通常，铁磁膜对于外部磁场的变化越灵敏，矫顽力越小。由于第二自由层32的矫顽力比第一自由层30的矫顽力低，因此当外部磁场的方向改变时，在第一自由层30的磁化方向改变前，第二自由层32的磁化方向就改变。由于第一自由层30与第二自由层32铁磁交互耦合，因此随着第二自由层32的磁化方向改变，第一自由层30的磁化方向改 变。因此，第一自由层30的磁化方向更易受外部磁场方向变化的影响。由于第一自由层30的磁化方向有助于电阻变化率，因此通过设置第二自由层32，可以提高隧道磁阻器件的灵敏度。 
第一盖层35由Ta制成并且具有例如5nm的厚度。第二盖层36由Ru制成并且具有例如10nm的厚度。第一盖层35和第二盖层36防止下面的铁磁层等在热处理过程中氧化。第一盖层35可由Ru制成，而第二盖层36可由Ta制成。更为一般地，盖层可由非磁金属例如Au、Ta、Al、W和Ru制成，或由这些金属制成的多个层的层叠结构构成。盖层的总厚度优选在5nm至30nm的范围内。 
导电层12的表面上没有设置隧道磁阻器件40的区域，被由绝缘材料例如SiO2制成的绝缘膜48覆盖。第一电极45形成在隧道磁阻器件40和绝缘膜48上。第一电极45与第二盖层36电连接。穿过绝缘膜48形成通孔，该通孔达到导电层12。通孔由第二电极46填充。第二电极46与导电层12电连接。第一电极45和第二电极46由例如Cu制成。 
下面，参考图2A至图2D，将对第一实施例的隧道磁阻器件的制造方法进行描述。 
如图2A中所示，通过磁电管溅射系统，在支撑衬底10上形成从导电层12直到第一自由层30这些层。 
如图2B中所示，第一自由层30暴露在氮等离子体38中。例如，在下列条件下进行这个等离子体工艺： 
·氮气流率：100sccm 
·RF功率：50W 
·工艺时间：30秒 
如图2C中所示，通过使用磁电管溅射系统，在经过氮等离子体表面处理的第一自由层30上，形成第二自由层32、第一盖层35以及第二盖层36。然后，在施加磁场的状态下，将衬底设置在真空中并且对钉扎层18进行规则化热处理工艺。热处理温度为例如270℃并且热处理时间为例如四小时。热处理温度可在250℃至400℃的范围内。 
如图2D中所示，图案化第一底层13和第二盖层36之间的各层，以形成圆柱形的隧道磁阻器件40。通过Ar离子研磨进行这些层的图案化。然后， 如图1A中所示，形成了绝缘膜48、第一电极45、穿过绝缘膜48的通孔和第二电极46。 
图3A示出通过第一实施例的方法制造的隧道磁阻器件的电阻变化率。为参考目的，同样示出了图2B中示出的在未进行氮等离子体工艺的情况下制造的比较示例的电阻变化率。未进行氮等离子体工艺的比较示例的隧道磁阻器件具有约20％的最大电阻变化率，然而通过第一实施例的方法制造的隧道磁阻器件具有约60％的最大电阻变化率。由于将具有较小矫顽力的第二自由层32设置在第一自由层30上，自由层的有效矫顽力为50Os或更弱。与图9A中示出的隧道磁阻器件的自由层107具有约500Os的矫顽力相比，设置第二自由层32的好处是显然的。 
通过设置第二自由层32，可使得矫顽力变小。然而，如果仅仅在第一自由层30上设置第二自由层32，则电阻变化率会降低，如图3B中所示。如在第一实施例中，在第一自由层30形成之后并且在第二自由层32形成之前，通过将第一自由层30暴露在氮等离子体38中，可保持高的电阻变化率。下面，将要对可保持高电阻变化率的原因进行研究。 
图4A和4B分别示出第一实施例和比较示例的隧道磁阻器件截面的透射电子显微镜(TEM)照片。在比较示例中，可从图4B中看出，由CoFeB制成的第一自由层30是多晶化的。可以认为，在对钉扎层18的规则化热处理和其它热处理过程中，从第一自由层30与第二自由层32之间的界面开始朝向第一自由层30的内部进行结晶。因此，尽管第一自由层30在刚形成膜之后是非晶的，但是通过随后的热处理使第一自由层30结晶。从TEM照片中结晶面之间的距离可以理解，第一自由层30的CoFeB具有取向优选为与衬底表面平行的(111)面。 
如图4A中所示，第一实施例中，在第一自由层30中没有观察到晶体结构，并且第一自由层30为非晶。众所周知，如果与势垒层25接触的铁磁层具有(111)取向，则电阻变化率降低。在第一实施例中，通过使第一自由层30为非晶，抑制电阻变化率变低。 
从TEM照片可以看出，第一实施例隧道磁阻器件的NiFe第二自由层32具有(111)取向。由于第二自由层32不与势垒层25接触，因此第二自由层32的(111)取向不会导致电阻变化率降低。 
在第一实施例中，第二自由层32由晶体铁磁材料制成，该晶体铁磁材料具有面心立方结构以及(111)取向。在形成第一自由层30之后，对它的表面进行等离子体工艺。因此，通过在第一自由层30上延续第二自由层32的晶体结构，可以防止第一自由层30结晶。即使第二自由层32的晶粒取向为随机的(即第二自由层32无取向)，通过使第一自由层30为非晶，可以抑制电阻变化率变降低。 
在第一实施例中，将组成第一自由层30的Co、Fe和B的成分比率分别设置为60原子％、20原子％和20原子％。为了使得CoFe合金为非晶，加入B。为了使得第一自由层30为非晶，优选将B浓度设置为10原子％或更高。 
通常，不容易明确地区分非晶态与微晶态。如图4B中所示，如果在第一自由层30中观察到清晰的晶格图像，可确定第一自由层30为晶体。如果在第一自由层30中观察不到清晰的晶格图像，可确定第一自由层30为非晶或微晶体。即使第一自由层30是微晶体，仍然可以抑制电阻变化率变低，优于第一自由层30为晶体的情况。如果在组成第一自由层30的CoFeB的X射线衍射图形中未出现尖峰，可以确定第一自由层30为非晶或微晶体。 
在一些情况下，将位于势垒层25与第一自由层30之间界面附近的非常薄区域结晶。然而，如果第一自由层30的大部分区域为非晶或微晶体，可以得到抑制电阻变化率降低的充足优点。如果非常薄结晶区域具有最多0.5nm的厚度，可以确定第一自由层30总体上为非晶或微晶体。 
图5是根据第二实施例的隧道磁阻器件的截面图。在第二实施例中，将结晶抑制层50插入到第一自由层30与第二自由层32之间。结晶抑制层50是具有例如0.2nm厚度的Ta层，并且通过磁电管溅射形成。在第二实施例中，第一自由层30的表面不进行第一实施例的图2B中所示的氮等离子体处理。其它结构与第一实施例的那些一样。 
在第二实施例中，在对钉扎层18的规则化热处理过程中，结晶抑制层50抑制了第一自由层30的结晶。因此，如同在第一实施例的情况下，第一自由层30保持非晶态。为了使第一自由层30与第二自由层32交互耦合，优选的是将结晶抑制层50的厚度设置为0.5nm或更薄。如果确保了结晶抑制效果，可将结晶抑制层50减薄为一个原子层。 
图6A示出第二实施例的隧道磁阻器件的电阻变化率与施加的磁场之间的关系。为比较目的，图6B示出了不具备结晶抑制层50的隧道磁阻器件的电阻变化率与施加的磁场之间的关系。第二实施例的隧道磁阻器的最大电阻变化率为约62％，但是比较示例的最大电阻变化率为约17％。第二实施例和比较示例的隧道磁阻器件的矫顽力分别是4.9Os和4.3Os。可以看出，通过设置结晶抑制层50，得到了大的电阻变化率。 
其它能够抑制第一自由层30结晶的导电材料，可以用作结晶抑制膜50的材料。可引用Hf、Zr、Pd等作为结晶抑制膜50的可用材料。 
图7示出包括第一和第二实施例的各个隧道磁阻器件的磁头的、面对磁记录介质的表面主要部分。氧化铝膜76形成在由Al2O3-TiC等制成的基体(base body)75上。再现单元80设置在氧化铝膜76上，并且感应型记录单元90设置在再现单元80上。 
感应型记录单元90包括下磁极91、上磁极92和设置在磁极之间的记录间隙层93。上磁极92具有与磁记录介质的磁道宽度对应的宽度。感应型记录单元90进一步包括磁轭(yoke)(未示出)以及缠绕在磁轭上的线圈(未示出)，其中磁轭用于磁耦合下磁极91和上磁极92。当记录电流流过线圈时，感生记录磁场。 
下磁极91和上磁极92由软磁材料制成。具有大饱和磁通密度的材料，例如Ni80Fe20、CoZrNb、FeN、FeSiN、FeCo合金可优选用作下磁极91和上磁极92的材料。感应型记录单元90可由具有其它结构的记录单元代替。 
下面，将描述再现单元80的结构。下电极81形成在氧化铝膜76上。隧道磁阻器件85形成在下电极81的部分表面区域上。隧道磁阻器件85具有与第一或第二实施例的隧道磁阻器件相同的结构。 
绝缘膜82覆盖隧道磁阻器件85的侧壁以及与该侧壁相连的下电极81的表面。磁畴控制膜83设置在隧道磁阻器件85的两侧。每个磁畴控制膜83具有层叠结构，该层叠结构具有例如从下电极81侧开始依次堆叠的Cr膜和铁磁CoCrPt膜。磁畴控制膜83使得组成隧道磁阻器件85的每个被钉扎层和自由层具有单磁畴，从而防止产生巴克豪森噪声(Barkhausen noises)。 
在隧道磁阻器件85和磁畴控制膜83上形成氧化铝膜86，并且在氧化铝膜86上形成上电极87。上电极87的部分穿透氧化铝膜86并且与隧道磁阻 器件85的上表面电连接。 
下电极81和上电极87由软磁合金例如NiFe和CoFe制成，并且具有磁屏蔽作用和作为感测电流(sense current)流动路径的作用。Cu、Ta、Ti等制成的导电膜被设置在下电极81和隧道磁阻器件85之间的界面处。 
为防止腐蚀等等，以氧化铝膜、氢化碳膜等覆盖再现单元80和感应型记录单元90。 
感测电流沿着隧道磁阻器件85的厚度方向流过隧道磁阻器件85。检测隧道磁阻器件85的隧道电阻变化，作为电压变化。 
图8A是使用第一或第二实施例的隧道磁阻器件的磁随机存取存储器(MRAM)的截面图，而图8B是MRAM的等效电路。设置在硅衬底60表面的是再现字线62、MOS晶体管63、记录字线68、位线69和隧道磁阻器件70。再现字线62和记录字线68是一一对应的(one-to-one correspondence)，并且沿着第一方向延伸(与图8A的图纸表面垂直的方向，图8B中的垂直方向)。位线69沿着与第一方向相交的第二方向(图8A和图8B中的水平方向)延伸。 
在再现字线62与位线69间的交叉点设置MOS晶体管63。再现字线62也作为MOS晶体管63的栅电极。即，通过施加在再现字线62上的电压控制MOS晶体管63的导电状态。 
在记录字线68与位线69间的交叉点设置隧道磁阻器件70，并且该隧道磁阻器件70具有与第一或第二实施例的隧道磁阻器件相同的结构。 
由于记录电流流过记录字线68和位线69，因此位于记录字线68和位线69交叉点的隧道磁阻器件70的自由层中磁化方向改变。通过改变磁化方向写入数据。在设置在不同于交叉点位置处的隧道磁阻器件中，其中该交叉点为流过记录电流的记录字线68和位线69的交叉点，由于没有产生其强度足以改变自由层磁化方向的磁场，因此没有写入数据。 
通过布线67以及穿透多层布线层的多个插塞64和隔离布线65，隧道磁阻器件70的最下导电层连接至MOS晶体管63的一个杂质扩散区域61。隧道磁阻器件70的最上导电层连接至位线69。也就是，布线67和位线69用作施加感测电流的电极，该感测电流沿着隧道磁阻器件70的厚度方向流过隧道磁阻器件70。 
通过插塞64，MOS晶体管63的另一杂质扩散区域61连接至板线(plateline)66。当MOS晶体管63处于导通状态时，取决于隧道磁阻器件70电阻的电流在位线69与板线66之间流动。通过判断这个电流的大小，可读取数据。 
通过将与第一或第二实施例相同的结构应用于隧道磁阻器件70，可以降低自由层的矫顽力以及增大电流变化量。因此，当再现记录的数据时，可以降低记录电流以及保持大的余量。 
结合优选实施例描述了本发明。发明不局限于上述实施例。对本领域技术人员来说，显然可以进行其它各种各样的修正、改进、结合等等。 

Claims (13)

1.一种隧道磁阻器件，包括：
被钉扎层，由具有固定磁化方向的铁磁材料制成；
势垒层，设置在该被钉扎层上，并且具有允许电子以隧道现象穿过的厚度；
第一自由层，设置在该势垒层上，并且由在外部磁场下磁化方向发生改变的非晶或微晶软磁材料制成；以及
第二自由层，设置在该第一自由层上，并且由在外部磁场下磁化方向发生改变的晶体软磁材料制成，该第二自由层与该第一自由层交互耦合；
其中，进一步包括设置在该第一自由层与该第二自由层之间的结晶抑制层，该结晶抑制层通过延续该第二自由层的晶体结构来防止该第一自由层结晶。
2.根据权利要求1所述的隧道磁阻器件，其中该第一自由层由加入选自B、C、Al、Si和Zr中的至少一种元素的软磁材料CoFe制成。
3.根据权利要求1所述的隧道磁阻器件，其中该第一自由层由CoFeB制成，并且B的浓度为10原子％或更高。
4.根据权利要求1所述的隧道磁阻器件，其中该第二自由层为具有面心立方结构的多晶体，并且没有取向或具有取向平行于衬底表面的(111)面。
5.根据权利要求1所述的隧道磁阻器件，其中该第二自由层的矫顽力小于该第一自由层的矫顽力。
6.根据权利要求1所述的隧道磁阻器件，其中该结晶抑制层由Ta制成。
7.一种隧道磁阻器件的制造方法，包括以下步骤：
(a)在支撑衬底上形成钉扎层，该钉扎层由反铁磁材料制成；
(b)在该钉扎层上形成被钉扎层，该被钉扎层由铁磁材料制成，该被钉扎层的磁化方向通过与该钉扎层的交互作用而固定；
(c)在该被钉扎层上形成势垒层，该势垒层具有允许电子以隧道现象穿过的厚度；
(d)在该势垒层上形成第一自由层，该第一自由层由非晶或微晶软磁材料制成；
(e)在该第一自由层上形成结晶抑制层；
(f)在该结晶抑制层上形成第二自由层，该第二自由层由晶体软磁材料制成；以及
(g)通过将该支撑衬底与该第二自由层之间的层叠结构体置于磁场中，对该钉扎层进行规则化热处理工艺，
其中，在进行该步骤(g)期间，该结晶抑制层通过延续该第二自由层的晶体结构来抑制该第一自由层结晶。
8.根据权利要求7所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中该第一自由层由加入选自B、C、Al、Si和Zr中的至少一种元素的软磁材料CoFe制成。
9.根据权利要求7所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中该第一自由层由CoFeB制成，并且B的浓度为10原子％或更高。
10.根据权利要求7所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中该第二自由层为具有面心立方结构的多晶体，并且没有取向或具有取向与衬底表面平行的(111)面。
11.根据权利要求7所述的隧道磁阻器件的制造方法，其中该第二自由层的矫顽力小于该第一自由层的矫顽力。
12.一种磁头，包括：
被钉扎层，由具有固定磁化方向的铁磁材料制成；
势垒层，设置在该被钉扎层上，并且具有允许电子以隧道现象穿过的厚度；
第一自由层，设置在该势垒层上，并且由在外部磁场下磁化方向发生改变的非晶或微晶软磁材料制成；以及
第二自由层，设置在该第一自由层上，并且由在外部磁场下磁化方向发生改变的晶体软磁材料制成，该第二自由层与该第一自由层交互耦合；
其中，进一步包括设置在该第一自由层与该第二自由层之间的结晶抑制层，该结晶抑制层通过延续该第二自由层的晶体结构来防止该第一自由层结晶。
13.一种磁存储器，包括：
隧道磁阻器件；
记录装置，用于向该隧道磁阻器件施加磁场以改变该隧道磁阻器件的第一自由层和第二自由层的磁化方向；以及
再现装置，用于将感测电流通入该隧道磁阻器件以检测该隧道磁阻器件的电阻，
其中
该隧道磁阻器件包括：
被钉扎层，由具有固定磁化方向的铁磁材料制成；
势垒层，设置在该被钉扎层上，并且具有允许电子以隧道现象穿过的厚度；
第一自由层，设置在该势垒层上，并且由在外部磁场下磁化方向发生改变的非晶或微晶软磁材料制成；以及
第二自由层，设置在该第一自由层上，并且由在外部磁场下磁化方向发生改变的晶体软磁材料制成，该第二自由层与该第一自由层交互耦合；
其中，进一步包括设置在该第一自由层与该第二自由层之间的结晶抑制层，该结晶抑制层通过延续该第二自由层的晶体结构来防止该第一自由层结晶。
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