CN101937968A - 具有高gmr值的ccp-cpp磁阻读取器 - Google Patents

具有高gmr值的ccp-cpp磁阻读取器 Download PDF

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Abstract

一种具有高巨磁阻(GMR)值和适度低电阻面积积(RA)的磁阻器件包括第一磁性层、第二磁性层以及位于该第一磁性层与第二磁性层之间的电流限制路径(CCP)间隔层。该间隔层包括在第一磁性层与第二磁性层之间延伸的在氧化镁基质中的铜电流限制路径。由铜和氧化镁的混合物形成该间隔层，对该混合物进行热处理以在氧化镁基质中形成铜电流限制路径。

Description

具有高GMR值的CCP-CPP磁阻读取器
背景技术
已经开发出用于高密度数据存储应用的巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)器件。GMR和TMR器件二者均以在两个铁磁层之间包括非磁性间隔层的多层读取器叠层为特征。通常，铁磁层之一用作具有固定磁化强度的基准或被钉扎层，而称为自由层的另一铁磁层具有响应于外部磁场而旋转的磁化强度。在GMR器件中，非磁性间隔层是导电的。在TMR器件中，该间隔层是在自由层与基准层之间形成隧道势垒的非常薄的电绝缘层。
利用氧化镁(MgO)的TMR读取器叠层已经用于面密度高达500Gb/平方英寸的商用硬盘驱动器。随着面密度进一步提高，读取器大小(读取器宽度和读取器条高)必须减小。这迫使MgO TMR叠层的电阻和面积之积(RA之积)减小，以保持相同的读取器电阻。然而，MgO叠层的RA的减小不仅显著减小TMR值，而且严重增大TMR叠层中的自由层与基准层之间的耦合场(自由层H1值)。例如，当RA约为0.6Ωμm2时，该H1值将高达约300Oe，而当RA约为0.4Ωμm2时，该H1值将高达约500Oe。这样的高自由层H1值在磁头应用中是不可接受的，因为它会改变不对称性平均值，和/或需要极其厚的永磁体(PM)来使自由层与气垫面(ABS)对准到平行。较厚的PM牺牲了屏蔽到屏蔽的间距，且降低了面密度。
为利用适度低的RA(0.1～0.4Ωμm2)实现高GMR读取器叠层，在过去数年中，已经针对用于硬盘驱动器产业的电流限制路径(CCP)电流垂直于平面(CPP)GMR读取器进行了研究工作。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等人的美国专利No.7,093,347中描述了CCP-CPP GMR器件的示例。
通过向纯CPP叠层的间隔层(像铜)中掺入某些氧化物微粒以将纯CPP叠层中的非常低的RA(小于0.1Ωμm2)提高至适度低的RA(0.1～0.4Ωμm2)，可制造CCP-CPP读取器。掺入的氧化物部分的功能仅仅是电流限制路径以增大RA。它对增大GMR或甚至降低GMR值几乎无贡献。此外，在传统CCP读取器设计中，将导电通道或氧化物微粒的大小控制在纳米范围内以及控制大小变化是非常难的。该问题可导致晶片中非常大的传感器到传感器的RA以及GMR变化，且会在读/写磁头的大规模生产中导致显著的生产率降低。在间隔层内制造非常小(纳米或甚至埃范围)和均匀的导电通道或氧化物粒子是非常难的技术挑战。
发明内容
一种具有高巨磁阻(GMR)值和适度低电阻面积积(RA)的磁阻器件包括第一磁性层、第二磁性层以及位于该第一磁性层与第二磁性层之间的电流限制路径(CCP)间隔层。该间隔层包括在该第一磁性层与第二磁性层之间延伸的在氧化镁基质中的铜电流限制路径。
该间隔层可形成为铜和氧化镁的混合层。对该混合层进行热处理以在氧化镁基质中形成铜电流限制路径。
附图说明
图1示出具有间隔层的磁阻CCP-CPP叠层，该间隔层在氧化镁基质中具有铜导电通道。
图2是示出形成图1的CCP-CPP叠层的方法的流程图。
图3是示出形成图1的CCP-CPP叠层的方法的流程图，其包括Cu/Mg混合物层的沉积和部分氧化。
图3A-3G示出图3的方法的步骤。
图4是示出形成图1的CCP-CPP叠层的方法的流程图，其包括Cu/MgO混合物层的沉积。
图5是示出具有不同厚度和RA积的CCP-CPP读取器叠层的GMR结果的曲线图。
图6示出具有直径为0.15μm的传感器大小的GMR和RA分布的曲线图。
具体实施方式
图1是作为电流垂直于平面(CPP)、电流限制路径(CCP)、巨磁阻(GMR)器件的磁阻叠层10的层示意图。磁阻叠层10包括籽层12、反铁磁(AFM)钉扎层14、铁磁被钉扎层16、耦合层18、基准层20、电流限制路径(CCP)间隔层22、第一铁磁自由层24、第二铁磁自由层26以及覆盖层28。
籽层12可以是单层，或者可以是多层。例如，籽层12可包括NiFeCr的第一层和NiFe的第二层。
在籽层12上方的钉扎层14是反铁磁材料。可形成钉扎层14的反铁磁材料的示例包括CrMnCu、CrMnPd、CrMnPt、IrMn、NiMn、NiMnCr、PdMn、PdPtMn、PtMn以及PtRuMn。
被钉扎层16、耦合层18以及基准层20形成合成的反铁磁体。被钉扎层16和基准层20是铁磁材料，诸如CoFe、CoFeB以及诸如Co2MnX之类的合金，其中X来自由Ge、Si、Al、Ga以及Sn组成的组。例如，耦合层18是厚度导致被钉扎层16与基准层20之间的反铁磁耦合的钌层。结果，基准层20的磁化方向是固定的，且提供相对于自由层24和26的磁化方向的基准。
间隔层22由铜和氧化镁二者组成。铜导电通道30分布于整个MgO基质32中。
MgO基质32用于限制通过自由层24与基准层20之间的间隔层22的电流路径，这样增大了电阻从而增大了RA积。此外，MgO基质32担当TMR势垒，这对叠层10的总GMR值起主要影响。
间隔层22中的铜区30不仅用作叠层10中的间隔层以确保CPP自旋阀效应，还担当有助于减小RA值的导电通道。因此，CCP层22提供TMR和自旋阀效应二者的组合。通过调节间隔层22中的MgO与铜区的比例、并通过调节间隔层22的厚度，可控制RA值。CCP间隔层22可包括在约1％与约60％之间的铜。更优选地，间隔层22中的铜的百分比约为5％到约30％。间隔层22的厚度从约到约
Figure BSA00000169892700042
范围。优选地，间隔层22的厚度为约
Figure BSA00000169892700043
到约
Figure BSA00000169892700044
的范围。
第一自由层24可以是诸如CoFe或CoFeB之类的具有正磁致伸缩的铁磁材料。第二自由层26在第一自由层24之上，且由诸如NiFe之类的具有负磁致伸缩的铁磁材料组成，从而由层24和26形成的复合自由层将产生具有净负磁致伸缩的高GMR值。将自由层24和26的磁化方向耦合到一起，且可相对于基准层20的磁化方向自由旋转。在其他实施例中，仅使用了单个自由层。
覆盖层28可以是单层结构，或可包括多层。覆盖层28通常可包括氧化物或能在高温退火期间氧化的金属或金属合金。
图2是示出形成诸如图1的磁阻叠层10之类的CCP-CPP器件的方法的流程图。方法40包括：形成第一磁性层(例如基准层20)(步骤42)；在第一磁性层上形成铜和氧化镁的混合层(步骤44)；在混合层上沉积第二磁性层(例如自由层24)(步骤46)；以及对该混合层进行加热(或退火)以在MgO基质(32)中形成含Cu电流限制区(30)的CCP层(例如CCP层22)(步骤48)。
图3和3A-3G示出了制造读取器叠层10的方法，该方法涉及在CCP间隔层22形成期间沉积镁与铜(随后是部分氧化步骤)。图3是示出方法50的流程图，其包括步骤52、54、56、58、60、62以及64。图3A-3G分别示出步骤52-64。利用该方法，有可能实现在氧化镁基质中小而且均匀分布的铜通道。其结果是高GMR、适度低RA、高Q值(定义为GMR与RA之比)以及低自由层耦合场H1。
在步骤52(图3A)中，已经沉积了籽层12、钉扎层14、被钉扎层16、耦合层18以及基准层20全部。在步骤54(图3B)中，在基准层20的上表面上沉积镁层70。镁层70担当用于在间隔层22中形成氧化镁的籽层。镁层70的厚度为约
Figure BSA00000169892700045
到约
Figure BSA00000169892700046
的范围，更优选约为
Figure BSA00000169892700047
在这些厚度下，镁层70包含许多小孔。
在步骤56(图3C)中，已形成了铜和镁的混合层72。可利用RF溅射由分离的镁和铜靶形成该混合层72，或利用RF溅射由单个铜一镁靶形成。
在步骤58中，执行部分氧化步骤以将铜和镁的混合层72转化成铜和氧化镁的混合层72’。图3D示出进行部分氧化之后的混合层72’。该部分氧化过程可包括等离子体氧化、自由基浴氧化或自然氧化。该氧化主要是层72’中的镁的氧化。
在步骤60(图3E)中，已经在混合层72’上沉积了镁层74。镁层74的厚度为约
Figure BSA00000169892700051
到约
Figure BSA00000169892700052
的范围，更优选在约为
Figure BSA00000169892700053
的范围中。
在步骤62中，沉积了第一和第二自由层24和26。图3F示出了在已沉积第一自由层24之后的叠层10。该工艺以第二自由层26和覆盖层28的沉积而继续，如图3G所示。
在步骤64中，在全部读取器叠层(包括自由和覆盖层)沉积之后执行退火过程(即热处理)，以将镁层70和74以及混合层72’转化成间隔层22，其中铜导电通道30分布于整个MgO基质32中。图1示出已经执行退火以完成CCP间隔层22的形成之后的叠层10的结构。
在退火步骤64期间，镁层70和74以及混合层72’中发生了转变。镁是非常活性的，且容易氧化。镁层70和74中的小孔允许铜通道30延伸通过基准层20和第一自由层24二者并与它们接触。连接基准层20和第一自由层24的铜通道30形成穿过间隔层22的MgO基质32的电流限制路径。
当由CoFeB形成基准层20和自由层24时，图3和3A-3G中描述的工艺具有另一好处。所沉积的CoFeB的结构通常是无定形的。在间隔层22中形成氧化镁基质32的退火过程也具有改变CoFeB基准层20和第一自由层24形成的界面处的晶体结构的效果。氧化镁首先结晶，同时CoFeB层仍为无定形。然后氧化镁的晶体结构在退火过程期间生长到毗邻层中，从而实现良好的晶格匹配。因此，基准层20、氧化镁基质32以及自由层24均具有相同的晶体结构(体心立方或BCC)。另一方面，铜具有面心立方(FCC)结构。
在其他实施例中，可能不使用镁层70和74，或可能仅使用这二者之一。然而，已经发现在该工艺中添加薄镁层70和74倾向于增强总体GMR效果。
图4示出与图3的方法50大致相似的替代方法50’，其不同之处在于通过沉积铜和氧化镁(步骤56’)而不是沉积铜和镁(步骤56)来形成混合层，然后部分氧化(步骤58)以形成铜/氧化镁混合层。在方法50’(图4)中，例如，可通过RF溅射由分离的氧化镁和铜靶形成该混合层，或通过RF溅射由单个铜-氧化镁靶形成。图5示出CCP读取器叠层在0.22～0.5Ωμm2范围下的不同RA时的GMR结果。该CCP间隔层的厚度范围从约
Figure BSA00000169892700061
到约
Figure BSA00000169892700062
且RA积随着厚度增加而增加。当RA约为0.22、0.3、0.4以及0.5Ωμm2时，分别实现了约21％、28.5％、37.5％以及41％的高GMR值。低RA条件下的此类高GMR归因于自由层与基准层之间的CCP-CPP间隔层。
表1归纳了CCP-CPP读取器叠层的一些典型GMR、RA、Q以及自由层H1值。表1中所示数据和图3中的数据来自同一器件集合。定义为GMR与RA之比的Q值高，且约为80～100。与具有非常高自由层H1(当RA在0.3～0.5Ωμm2范围时约为300～500Oe)的纯MgO TMR叠层的典型低RA不同，CCP-CPP叠层的自由层H1小且小于100Oe。这意味着MgO和Cu的CCP间隔层非常连续，且能将自由层与基准层之间的磁相互作用有效地解耦。
表1
  RA   GMR   Q   H1
  0.220   20.8   94.4   88.9
  0.224   22.0   98.2   75.9
  0.224   21.0   93.7   57.2
  0.230   21.8   94.8   12.1
  0.234   22.2   94.7   93.3
  0.247   23.6   95.9   45.7
  0.251   24.1   96.0   39.1
  0.253   23.9   94.8   46.0
  0.260   25.9   99.6   38.2
  0.263   25.5   97.1   45.0
  0.301   28.5   94.9   16.9
  0.317   28.6   89.9   76.5
  0.333   28.9   86.8   99.4
  0.346   29.7   85.9   49.5
  0.350   31.6   90.1   51.5
  0.358   30.5   85.1   44.1
  0.379   39.1   103.2   62.4
  0.391   32.3   82.7   44.5
  0.394   37.5   95.3   34.7
  0.418   34.5   82.4   30.1
  0.442   38.0   86.1   45.5
  0.468   42.1   90.1   46.6
  0.504   41.0   81.3   2.3
  0.511   41.6   81.4   42.9
图6示出直径为0.15μm的圆形CCP-CPP读取器叠层的GMR和RA分布。当平均RA约为0.2Ωμm2时，平均GMR约为16％。GMR和RA值的分布非常紧密，这意味着间隔层MgO基质中的铜导电通道的大小非常小且均匀。
表2A-2C示出CCP-CPP读取器与常规的MgO TMR读取器的GMR值与RA值分布的比较。对这两个读取器叠层的GMR和RA分布进行公平的比较，这两个读取器叠层的RA值是相似的。LR39(表2A)、IL39(表2B)以及HL39(表2C)分别代表直径为0.15μm、0.2μm以及0.35μm的三个不同传感器大小。(这些读取器在构造上为圆形)。对于GMR值和RA值二者而言，来自CCP-CPP读取器的标准差(stdev)小于来自常规MgO TMR叠层的标准差。这两个叠层具有相似的RA值。该stdev/平均值还示出了所提出的CCP-CPP叠层具有更紧密的GMR值和RA值二者的分布的相似趋向。该紧密分布是因为通过在同一室中沉积MgO(或Mg)和Cu的唯一间隔层工艺。可在纳米尺度上控制铜导电通道的大小，该纳米尺度小于读取器传感器大小。紧密分布能显著提高生产率，这对于读/写磁头的大规模生产是极其重要的。
表2A
Figure BSA00000169892700081
表2B.
Figure BSA00000169892700082
表2C
Figure BSA00000169892700083
虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将能认识到其他实施例也是可能的。例如，虽然在具有固定基准层与自由层之间的CCP-CPP间隔层的磁阻器件的情境下描述了CCP-CPP叠层，但本发明还可应用于其他结构，诸如CCP-CPP间隔层位于两个铁磁自由层之间的三层结构。
虽然已经参照示例实施例描述了本发明，但本领域技术人员能理解的是，可作出多种改变且可以等价物替代其元件，而不背离本发明的范围。此外，可对本发明的示教进行许多修改以适应具体情况或材料，而不背离本发明的本质范围。因此，本发明不旨在受限于所公开的具体实施例，而本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种制造磁阻器件的方法，所述方法包括：
形成第一磁性层；
在所述第一磁性层上形成Cu和MgO的混合层；
在所述混合层上沉积第二磁性层；以及
对所述混合层进行热处理以形成包含MgO基质中的Cu电流限制路径的CCP层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在形成所述混合层之前，在所述第一磁性层上沉积Mg籽层。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所沉积的Mg籽层具有约到约的厚度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在沉积所述第二磁性层之前，在所述混合层上沉积Mg籽层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所沉积的Mg籽层具有约与约
Figure FSA00000169892600014
之间的厚度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述混合层包括：
沉积Cu和Mg的混合物；以及
氧化Mg以形成Cu和MgO的混合物。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过分离靶或通过混合的Cu-Mg单靶溅射沉积所述Cu和Mg的混合物。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过等离子体氧化、自由基浴氧化以及自然氧化中的至少一种方法来进行氧化。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述混合层包括：
沉积Cu和MgO的混合物。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过分离的Cu和MgO靶或通过混合的Cu-MgO单靶溅射沉积所述混合物。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述第一磁性层包括沉积FeCoB、CoFe以及Co2MnX中的一种或多种，其中X来自由Ge、Si、Al、Ga以及Sn组成的组；以及其中沉积所述第二磁性层包括沉积FeCoB、CoFe、以及NiFe中的一种或多种。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所形成的混合层包含约1原子百分数到约60原子百分数的Cu。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所形成的混合层包含约5原子百分数到约30原子百分数的Cu。
14. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所形成的混合层具有约
Figure FSA00000169892600021
到约
Figure FSA00000169892600022
的厚度。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所形成的混合层具有约到约
Figure FSA00000169892600024
的厚度。
16.一种磁阻器件，包括：
包括CoFeB、CoFe以及Co2MnX中的一种或多种的第一磁性层，其中x来自由Ge、Si、Al、Ga以及Sn组成的组；
包括CoFeB、CoFe、以及NiFe中的一种或多种的第二磁性层；以及
位于所述第一磁性层与所述第二磁性层之间的间隔层，所述间隔层包括MgO基质中在所述第一与第二磁性层之间延伸的Cu电流限制路径。
17.如权利要求16所述的磁阻器件，其特征在于，所述间隔层包含约1原子百分数到约60原子百分数的Cu。
18.如权利要求16所述的磁阻器件，其特征在于，所述间隔层包含约5原子百分数到约30原子百分数的Cu。
19.如权利要求16所述的磁阻器件，其特征在于，所述间隔层具有约
Figure FSA00000169892600025
到约
Figure FSA00000169892600026
的厚度。
20.如权利要求19所述的磁阻器件，其特征在于，所述间隔层具有约
Figure FSA00000169892600027
到约的厚度。
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