CN105469809B - 隧道磁阻器件和隧道磁阻读磁头 - Google Patents
隧道磁阻器件和隧道磁阻读磁头 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105469809B CN105469809B CN201510881741.XA CN201510881741A CN105469809B CN 105469809 B CN105469809 B CN 105469809B CN 201510881741 A CN201510881741 A CN 201510881741A CN 105469809 B CN105469809 B CN 105469809B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- ferromagnetic
- nanometer
- tunnel
- antiparallel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 90
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 48
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 33
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 46
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 32
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 15
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 9
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 9
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 9
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 241000208340 Araliaceae Species 0.000 claims 2
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 claims 2
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 claims 2
- 235000005035 Panax pseudoginseng ssp. pseudoginseng Nutrition 0.000 claims 2
- 235000003140 Panax quinquefolius Nutrition 0.000 claims 2
- 235000008434 ginseng Nutrition 0.000 claims 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims 2
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 claims 2
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 abstract description 18
- 239000002052 molecular layer Substances 0.000 abstract description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 206
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N Magnesium oxide Chemical compound [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 101
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 49
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 10
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 8
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 5
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 2
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 2
- 229910015136 FeMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003289 NiMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019041 PtMn Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005303 antiferromagnetism Effects 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910001291 heusler alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000012916 structural analysis Methods 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
- G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
- G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
- G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
- G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
- G11B5/3909—Arrangements using a magnetic tunnel junction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
- G01R33/09—Magnetoresistive devices
- G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
- G01R33/09—Magnetoresistive devices
- G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
- G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
- G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Thin Magnetic Films (AREA)
- Magnetic Heads (AREA)
Abstract
本发明公开了一种隧道磁阻(TMR)器件和隧道磁阻读磁头，例如磁记录盘驱动器读磁头，该TMR器件具有在MgO势垒层和包含硼的自由层和/或参考铁磁层之间的含氮层。在一个实施例中，自由铁磁层包括含硼层和在MgO势垒层与含硼层之间的三层纳米层结构。三层纳米层结构包括：与MgO层接触的薄的Co、Fe或CoFe第一纳米层，在第一纳米层上的薄的FeN或CoFeN第二纳米层，以及在FeN或CoFeN纳米层和含硼层之间的FeN或CoFeN纳米层上的薄的Co、Fe或CoFe第三纳米层。如果参考铁磁层还包括含硼层，则类似的三层纳米层结构可以位于含硼层和MgO势垒层之间。
Description
技术领域
本发明总地涉及隧道磁阻(TMR)器件，并且更具体而言，涉及一种具有氧化镁(MgO)隧道势垒层和含硼铁磁层的TMR读磁头。
背景技术
隧道磁阻(TMR)器件，也被称为磁隧道结(MTJ)器件，包括由薄的绝缘隧道势垒层分隔的两个铁磁层。势垒层典型地由金属氧化物制成，所述金属氧化物足够薄使得在这两个铁磁层之间发生载流子的量子力学隧穿。虽然各种金属氧化物，诸如氧化铝(Al2O3)和氧化钛(TiO2)，已经被提出作为隧道势垒材料，但最有可能的材料是结晶的氧化镁(MgO)。量子力学隧穿过程与电子自旋相关，这意味着：当跨过结施加传感电流时所测量的电阻取决于铁磁层和势垒层的自旋相关的电子特性，并且由这两个铁磁层的磁化的相对取向决定。铁磁层之一(其被称为参考层)的磁化被固定或钉扎，而另一铁磁层(被称为自由层)的磁化响应于外部磁场而自由旋转。它们的磁化的相对取向随外部磁场变化，从而导致电阻的改变。TMR器件可用作在非易失性磁性随机存取存储器(MRAM)阵列中的存储单元并用作在磁记录盘驱动器中的TMR读磁头。
图1示出常规的TMR读磁头10的剖视图。TMR读磁头10包括底部“被固定”或“被钉扎”参考铁磁(FM)层18、绝缘隧道势垒层20以及顶部“自由”FM层32。TMR读磁头10分别具有底部和顶部非磁性电极或引线12、14，底部非磁性电极12形成在适当的衬底上。FM层18被称为参考层，因为在TMR器件的感兴趣的期望范围内存在所施加的磁场(即，来自磁记录盘中的磁性层的记录区的磁场)时，FM层18的磁化被防止旋转。该参考FM层18的磁化可通过由高矫顽力膜形成或通过交换耦合到反铁磁(AF)“钉扎”层而被固定或钉扎。参考FM层18可以是反平行(AP)被钉扎或磁通闭合(flux-closure)结构的一部分，其中两个铁磁层由反平行耦合(APC)间隔层分隔，于是反平行耦合以形成磁通闭合，如在US5,465,185中所述。在感兴趣的范围内存在施加的磁场时，自由FM层32的磁化自由旋转。不存在施加的磁场时，FM层18和32的磁化一般在TMR读磁头10中垂直排列。FM层18、32的磁化的相对取向决定TMR器件的电阻。
已知的是，由于具有一定对称性的电子的相干隧穿，具有MgO隧道势垒，特别是Fe/MgO/Fe、CoFe/MgO/CoFe、Co/MgO/Co隧道结，的TMR器件表现出非常大的磁阻。然而，MgO隧道结需要具有(001)外延和完美的结晶度。MgO势垒层典型地通过溅射沉积和随后的退火形成，这形成晶体结构。对于CoFe/MgO/CoFe隧道结，已知的是，由于MgO势垒层的差的结晶度，磁电阻低。然而，已经发现，当硼(B)被用于一个或多个参考层和自由铁磁层中时，诸如通过在多层结构中使用薄的非晶CoFeB或CoFeBTa层，在退火之后观察到更高的隧道磁阻(ΔR/R或TMR)。已知非晶CoFeB层有助于MgO在(001)方向上的高品质结晶，因而具有更高的TMR。
具有甚至更高的TMR的高级TMR器件将需要降低电阻面积乘积(resistance-areaproduct，RA)，这意味着MgO势垒层将需要被做得更薄。然而，随着MgO厚度减小，TMR也减小，这被认为是部分由于硼扩散到MgO势垒层中。MgO厚度的减小还导致层间耦合场(Hint)的不期望增加，即，在参考层与自由层之间的磁耦合场的强度的不期望增加。大的Hint使TMR读磁头的性能退化。随着MgO势垒层厚度减小，重要的是具有低Hint值。
所需要的是具有薄MgO势垒层并从而具有减小的RA但是具有高TMR和低Hint的TMR器件。
发明内容
本发明的实施例涉及一种具有薄的MgO势垒层以及在MgO势垒层和自由和/或参考含硼铁磁层之间的含氮层的TMR器件。在一个实施例中，自由铁磁层包括含硼层以及在MgO势垒层和含硼层之间的三层纳米层结构。该三层纳米层结构包括：与MgO层接触的薄的Co、Fe或CoFe第一纳米层，在第一纳米层上的薄的FeN或CoFeN第二纳米层，以及在FeN或CoFeN纳米层和含硼层之间的FeN或CoFeN纳米层上的薄的Co、Fe或CoFe第三纳米层。如果参考铁磁层还包括含硼层，则类似的三层纳米层结构可以位于含硼层和MgO势垒层之间。根据本发明的实施例的TMR器件比没有含氮层的TMR器件表现出大的TMR值和低的用于薄的MgO势垒层的层间耦合场(Hint)的值。
为了更充分地理解本发明的本质和优点，应当参考对连同附图进行的以下详细描述。
附图说明
图1是示出常规的隧道磁阻(TMR)读磁头的结构的剖视图。
图2是示出现有技术TMR读磁头的详细结构的剖视图。
图3是示出在现有技术TMR读磁头中具有存在于参考层和自由层中的硼的典型的参考层/MgO/自由层结构的示意图。
图4是示出根据本发明的实施例的参考层/MgO/自由层结构的示意图，参考层/MgO/自由层结构具有存在于参考层和自由层中的硼以及具有在MgO势垒层和含硼层之间的含氮层。
图5是根据本发明的实施例的用于试验器件并且用于检验器件的电阻面积乘积(RA)的函数的TMR的图表。
图6是根据本发明的实施例的用于试验器件并且用于检验器件的RA的函数的层间耦合场(Hint)的图表。
具体实施方式
图2是示出像在磁记录盘驱动器中使用的现有技术的TMR读磁头100的结构的剖面高度示意的图。该剖视图是通常被称为TMR读磁头100的空气轴承表面(ABS)的视图。TMR读磁头100包括在典型地由电镀NiFe合金膜制成的两个铁磁屏蔽层S1、S2之间形成的传感器堆叠层。下部屏蔽S1典型地通过化学机械抛光(CMP)平滑，以提供用于传感器堆叠生长的平滑表面。传感器堆叠包括：具有横向(远离页面)取向的被钉扎磁化121的铁磁参考层120、具有响应于来自记录盘的横向外部磁场而可以在层110的平面内旋转的磁化111的铁磁自由层110、以及在铁磁参考层120和铁磁自由层110之间且典型地是氧化镁(MgO)的电绝缘隧道势垒层130。
参考层120可以是常规的“简单”或单个被钉扎层，其典型地通过交换耦合到反铁磁层而使其磁化方向121被钉扎或固定。然而，在图2的例子中，参考层120是公知的反平行(AP)被钉扎或磁通闭合结构的部分，也被称为“层叠的”被钉扎层，如在美国专利5,465,185中所述的。该AP被钉扎结构最小化参考层120与自由层110的静磁耦合。AP被钉扎结构包括跨过诸如Ru、Ir、Rh或Cr或其合金的AP耦合(APC)层123反铁磁耦合的参考铁磁(AP2)层120和下部被钉扎铁磁(AP1)层122。由于跨过APC层123反平行耦合，参考(AP2)和被钉扎(AP1)铁磁层120、122的各自的磁化121、127彼此反平行取向。结果，AP2和AP1铁磁层120、122的净磁化较小，从而充分地最小化由铁磁自由层110中的磁通闭合结构引起的退磁场，于是TMR读磁头最佳地操作变得可行。
位于下部屏蔽层S1和AP被钉扎结构之间的是籽晶层125和反铁磁(AF)钉扎层124。籽晶层125有利于AF钉扎层124生长出具有强晶体织构的微结构，从而发展强的反铁磁性。籽晶层125可以是单个层或多层不同材料。AF钉扎层124从而强烈地交换耦合到铁磁被钉扎层122，由此在垂直于且远离ABS的方向上牢牢地钉扎铁磁被钉扎层122的磁化127。于是，跨过APC层123的反平行耦合随后在垂直于且朝向ABS和反平行于磁化127的方向上牢牢地钉扎铁磁参考层120的磁化121。结果，铁磁AP2和AP1层120、122的净磁化被牢牢地钉扎，从而确保TMR读磁头的最佳运行。AP1层122可以本身是硬磁层，或具有被诸如Co100-xPtx或Co100-x-yPtxCry(其中x在以原子百分数计的大约8和30之间)的硬磁层钉扎的磁化127，而不是被AF层钉扎。AP被钉扎结构也可以是“自钉扎”。在“自钉扎”传感器中，AP1和AP2层磁化方向127、121典型地由磁致伸缩和所制造的传感器内存在的残余应力而大致垂直于磁盘表面设置。
位于铁磁自由层110和上部屏蔽层S2之间的是层112，有时被称为覆盖层或盖层。该层112保护铁磁自由层110在加工过程中免受化学和机械损伤，使得铁磁自由层110保持良好的铁磁性能。
在关注范围内存在外部磁场时，即，来自记录盘上写入数据的磁场时，在铁磁层120、122的净磁化保持被牢牢地钉扎的同时，铁磁自由层110的磁化111将响应于所述磁场而旋转。从而当传感电流IS从上部屏蔽层S2垂直地流过传感器堆叠到下部屏蔽层S1时，铁磁自由层111的磁化旋转将导致铁磁参考层120与铁磁自由层110的磁化之间的角度变化，该角度变化可被检测作为电阻的变化。因为传感电流被垂直地引导通过两个屏蔽S1和S2之间的层堆叠，所以TMR读磁头100是电流垂直于平面(CPP)的读磁头。
图2还显示了分别在屏蔽S1、S2和传感器堆叠之间的可选的分离的电引线126、113。引线126、113可由Ta、Ti、Ru、Rh或其多层形成。引线是可选的，并且可用于调整屏蔽到屏蔽的间距。如果导线126和113不存在，则底部和顶部屏蔽S1和S2用作电引线。铁磁参考层和自由层120和110典型地由CoFe、CoFeB或NiFe层形成，或者由包括这些膜的多个层形成，而铁磁被钉扎层122典型地由CoFe合金形成。籽晶层125典型地由包括Ta/NiFeCr/NiFe、Ta/NiFe、Ta/Ru或Ta/Cu膜的多个层形成。AFM钉扎层124典型地由FeMn、NiMn、PtMn、IrMn、PdMn、PtPdMn或RhMn膜制成。盖层112典型地由Ru、Rh、Ti、Ta或其多层制成。
虽然因为AP被钉扎结构在自由层110下方，所以图2中所示的TMR读磁头100是“底部被钉扎”读磁头，但自由层110可以位于AP被钉扎结构下方。在这样的布置中，AP被钉扎结构的层被颠倒，同时AP2层120在势垒层130的顶部上并且与势垒层130接触。
MgO隧道结需要具有(001)外延和完美的结晶度。该MgO势垒层典型地通过溅射沉积和随后的退火形成，这形成晶体结构。已经发现，在参考层和自由层中的一个或两个中使用薄的非晶CoFeB或CoFeBTa层导致较高的隧道磁阻(ΔR/R或TMR)。已知所沉积的非晶CoFeB层有助于MgO在(001)方向上的高品质结晶，因而在退火之后具有更高的TMR。因而，图3是示出在参考层和自由层中存在有硼的典型的参考层/MgO/自由层结构的示意图。参考层和自由铁磁层中的每个被描绘为邻近MgO势垒层的薄的(例如，在大约厚之间)CoFe“纳米层”层、CoFe层以及在纳米层和CoFe层之间的CoFeB(并且在一些情况下是CoHf、CoFeBTa或其它非晶插入层)层。CoFeB层具有(CoxFe(100-x))(100-y)By的典型组合物，其中下标表示原子百分数，x在大约60和100之间，y在大约10和20之间。参考层和自由层中每个的总厚度典型地在大约20和之间。在参考层和自由层中使用的其它材料是公知的，诸如Co或Fe纳米层、NiFe合金和Heusler合金。
具有甚至更高TMR的高级TMR器件将需要降低电阻面积乘积(RA)，这意味着MgO势垒层将需要被制得更薄。然而，随着MgO厚度减小，TMR也减小，这被认为是部分由于硼扩散到MgO势垒层中。MgO厚度减小还导致在层间耦合场(Hint)(即，在参考层与自由层之间的磁耦合场的强度)的不期望增加。
本发明的实施例涉及具有薄MgO势垒层以及在MgO势垒层和自由和/或参考含硼层之间的含氮层的TMR器件，含氮层被示出以减少硼扩散到MgO势垒层中。图4是示出根据本发明的实施例的在参考层和自由层中存在有硼的参考层/MgO/自由层结构的示意图。MgO势垒层具有在大约6至范围内的典型厚度。参考层和自由层中的每个以CoFeB(或CoFeBTa)层的形式包含硼，并且在MgO势垒层和含硼层之间包含薄的(例如，在大约厚之间)含氮纳米层。在优选实施例中，含氮纳米层是CoFeN纳米层，CoFeN纳米层是三层纳米层结构的部分，三层纳米层结构包括与MgO层接触的薄的(例如在大约厚之间)CoFe纳米层以及在CoFeN纳米层和CoFeB(或CoFeBTa)层之间的另一个薄的(例如在大约厚之间)CoFe纳米层。CoFe纳米层优选地具有CoxFe(100-x)形式的组合物，其中，x是在以原子百分数计的大约20和80之间。在另一个实施例中，CoFe纳米层可以被Co或Fe纳米层替换，并且CoFeN纳米层被FeN纳米层替换。三层纳米层结构的总厚度大于或等于并且小于或等于图4将参考层和自由层描绘为含硼；然而，根据本发明的实施例的TMR器件可以仅使自由层含硼或仅使参考层含硼，在这种情况下，只有该层将具有位于MgO势垒层和含硼层之间的含氮层。图4还将TMR器件描绘为“底部被钉扎”器件，因为参考层在自由层以下；然而，该参考层可以位于自由层以上，以如以上在图2中描述的方式。
具有以上所述和如图4中所示的隧道结的TMR读磁头以常规方式通过溅射沉积或其它已知的薄膜沉积技术在传感器堆叠中沉积层来制造。该CoFeN(或FeN)纳米层可以在存在氮气的情况下通过从CoFe(或Fe)靶反应性溅射或从分离的Co和Fe靶共溅射而沉积。在反应性溅射气体中的氮浓度应当优选在5％和50％之间，这导致(CoxFe(100-x))(100-y)Ny(或Fe(100-y)Ny)形式的预计的组合物，其中x在以原子百分数计的大约20和80之间，y在以原子百分数计的大约1和50之间。如此沉积的膜的结构分析间接表明具有显现为反应性氮流的较少排序的相的氮掺杂相增加。于是在存在施加的磁场的情况下，该结构被退火以设置参考铁磁层的磁化方向时。该退火典型地在大约250至290℃进行大约4至24小时。退火还形成具有期望的结晶度的MgO势垒层，但是没有显著的硼扩散到MgO势垒层中。此外，在退火期间，在CoFeN层中的一些氮能够扩散出该层到包括势垒层的其它周围层中。在膜的沉积和退火之后，堆叠被光刻图案化和蚀刻，以定义读磁头的期望尺寸。
根据本发明的实施例的TMR试验器件在晶圆级被制造，并且与用于TMR(ΔR/R)和Hint的TMR检验器件相比较。对于试验和检验器件二者，在Co纳米层上形成MgO势垒层。自由层的主要部分是厚的(Co96Fe4)B20层。对于检验器件，在MgO层和主自由层部分之间的结构是的Co40Fe60双层纳米层结构，而没有氮。对于试验器件，在MgO层和主自由层部分之间的结构是的的的Co50Fe50三层纳米层结构。用不同值的RA制造试验和检验器件。
图5显示了TMR的测量值。随着RA从大约0.45Ω·μm2下降至大约0.27Ω·μm2，用于检验器件的TMR比用于试验器件的TMR下降地更快，并且在低RA值处，试验器件表现出更高的TMR。这被认为是在退火期间由于硼向MgO层中的迁移减少和/或用氮原子替换MgO中的硼原子。
图6显示了Hint的测量值。对于RA的所有值，试验器件比检验器件显示了显著低的Hint绝对值。此外，诸如矫顽力和磁致伸缩的试验器件的磁性能未明显不同于检验器件，从而确保读磁头中足够的稳定性。
虽然已经参照优选实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，可以在形式和细节上进行各种改变，而未脱离本发明的精神和范围。因此，所公开的发明应被认为仅仅是说明性的，其范围仅由在如权利要求中指定的那样限定。
Claims (17)
1.一种隧道磁阻器件，包括：
衬底；
在所述衬底上的第一铁磁层；
隧道势垒层，由在所述第一铁磁层上的MgO组成；
在所述隧道势垒层上的第二铁磁层；
其中所述第一和第二铁磁层中的一个是在存在外部磁场的情况下具有自由旋转的面内磁化方向的自由铁磁的多层，所述自由铁磁的多层包括含硼层以及在所述势垒层和所述含硼层之间的含氮层；以及
其中所述第一和第二铁磁层中的另一个是在存在外部磁场的情况下具有被防止旋转的面内磁化方向的参考铁磁层。
2.根据权利要求1所述的隧道磁阻器件，其中所述自由铁磁多层还包括：与所述势垒层接触并选自Co、Fe和由Co和Fe组成的合金的第一纳米层，其中所述含氮层是与所述第一纳米层接触并选自FeN合金和CoFeN合金的第二纳米层。
3.根据权利要求2所述的隧道磁阻器件，其中所述第一和第二纳米层具有大于或等于并且小于或等于的总厚度。
4.根据权利要求2所述的隧道磁阻器件，其中所述FeN合金具有Fe(100-x)Nx形式的组合物，其中x在以原子百分数计的1和50之间，并且其中所述CoFeN合金具有(CoxFe(100-x))(100-y)Ny形式的组合物，其中x在以原子百分数计的20和80之间，y在以原子百分数计的1和50之间。
5.根据权利要求2所述的隧道磁阻器件，其中所述自由铁磁多层还包括与所述第二纳米层接触并选自Co、Fe和由Co和Fe组成的合金的第三纳米层。
6.根据权利要求1所述的隧道磁阻器件，其中所述含硼层是包括Co、Fe和B的合金。
7.根据权利要求6所述的隧道磁阻器件，其中所述含硼层是进一步包括Ta的合金。
8.根据权利要求1所述的隧道磁阻器件，其中所述自由铁磁多层是第一铁磁层，所述参考铁磁层是第二铁磁层。
9.根据权利要求1所述的隧道磁阻器件，其中所述参考铁磁层是第一铁磁层，所述自由铁磁多层是第二铁磁层。
10.根据权利要求1所述的隧道磁阻器件，其中所述参考铁磁层是反平行被钉扎结构的部分，所述反平行被钉扎结构包括：具有面内磁化方向的第一反平行被钉扎铁磁层，邻近所述隧道势垒层并具有反平行于所述第一反平行被钉扎铁磁层的磁化方向的面内磁化方向的第二反平行被钉扎铁磁层，以及在所述第一反平行被钉扎铁磁层和所述第二反平行被钉扎铁磁层之间并且与所述第一反平行被钉扎铁磁层和所述第二反平行被钉扎铁磁层接触的反平行耦合层，其中所述参考层是所述第二反平行被钉扎铁磁层。
11.根据权利要求1所述的隧道磁阻器件，其中所述参考铁磁层是包括含硼层以及在所述势垒层和所述含硼层之间的含氮层的参考铁磁多层。
12.一种隧道磁阻读磁头，包括：
导磁材料的第一屏蔽层；
参考铁磁层，在所述第一屏蔽层上并且在存在外部磁场的情况下具有被防止旋转的面内磁化方向；
电绝缘隧道势垒层，由MgO组成，在所述参考层上并且与所述参考层接触；
自由铁磁层，在所述隧道势垒层上，并且在没有外部磁场的情况下具有正交于所述参考铁磁层的磁化方向取向的面内磁化方向，所述自由铁磁层包括：与所述势垒层接触并选自Co、Fe和由Co和Fe组成的合金的第一纳米层，与所述第一纳米层接触并选自FeN合金和CoFeN合金的第二纳米层，以及在所述第二纳米层上的含硼铁磁层；
在所述自由铁磁层上的覆盖层；以及
在所述覆盖层上的导磁材料的第二屏蔽层。
13.根据权利要求12所述的隧道磁阻读磁头，其中所述FeN合金具有Fe(100-x)Nx形式的组合物，其中x在以原子百分数计的1和50之间，并且所述CoFeN合金具有(CoxFe(100-x))(100-y)Ny形式的组合物，其中x在以原子百分数计的20和80之间，y在以原子百分数计的1和50之间。
14.根据权利要求12所述的隧道磁阻读磁头，还包括与所述第二纳米层接触并选自Co、Fe和由Co和Fe组成的合金的第三纳米层，其中所述含硼层与所述第三纳米层接触。
15.根据权利要求14所述的隧道磁阻读磁头，其中所述第一、第二和第三纳米层的总厚度大于或等于并且小于或等于
16.根据权利要求12所述的隧道磁阻读磁头，其中所述参考层包括：含硼铁磁层，与所述势垒层接触并选自Co、Fe和由Co和Fe组成的合金的第一纳米层，以及在所述含硼层和所述第一纳米层之间并选自FeN合金和CoFeN合金的第二纳米层。
17.根据权利要求12所述的隧道磁阻读磁头，还包括反平行被钉扎结构，该反平行被钉扎结构在所述第一屏蔽层和所述势垒层之间，并且包括：在所述第一屏蔽层上并具有面内磁化方向的第一反平行被钉扎铁磁层，具有反平行于所述第一反平行被钉扎铁磁层的磁化方向的面内磁化方向的第二反平行被钉扎铁磁层，以及在所述第一反平行被钉扎铁磁层和所述第二反平行被钉扎铁磁层之间并且与所述第一反平行被钉扎铁磁层和所述第二反平行被钉扎铁磁层接触的反平行耦合层，其中所述参考层是所述第二反平行被钉扎铁磁层。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US14/499,218 US9099124B1 (en) | 2014-09-28 | 2014-09-28 | Tunneling magnetoresistive (TMR) device with MgO tunneling barrier layer and nitrogen-containing layer for minimization of boron diffusion |
| US14/499,218 | 2014-09-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105469809A CN105469809A (zh) | 2016-04-06 |
| CN105469809B true CN105469809B (zh) | 2018-11-30 |
Family
ID=53719013
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510881741.XA Active CN105469809B (zh) | 2014-09-28 | 2015-09-28 | 隧道磁阻器件和隧道磁阻读磁头 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9099124B1 (zh) |
| EP (1) | EP3002755B1 (zh) |
| JP (1) | JP2016071925A (zh) |
| KR (1) | KR20160037817A (zh) |
| CN (1) | CN105469809B (zh) |
| SG (1) | SG10201507997XA (zh) |
Families Citing this family (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090122450A1 (en) * | 2007-11-08 | 2009-05-14 | Headway Technologies, Inc. | TMR device with low magnetostriction free layer |
| US9240547B2 (en) | 2013-09-10 | 2016-01-19 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions and methods of forming magnetic tunnel junctions |
| US9373779B1 (en) | 2014-12-08 | 2016-06-21 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions |
| US9502642B2 (en) | 2015-04-10 | 2016-11-22 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions, methods used while forming magnetic tunnel junctions, and methods of forming magnetic tunnel junctions |
| US9520553B2 (en) * | 2015-04-15 | 2016-12-13 | Micron Technology, Inc. | Methods of forming a magnetic electrode of a magnetic tunnel junction and methods of forming a magnetic tunnel junction |
| US9530959B2 (en) * | 2015-04-15 | 2016-12-27 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions |
| US9257136B1 (en) | 2015-05-05 | 2016-02-09 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions |
| US9960346B2 (en) | 2015-05-07 | 2018-05-01 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions |
| US10141498B2 (en) | 2015-12-10 | 2018-11-27 | Everspin Technologies, Inc. | Magnetoresistive stack, seed region thereof and method of manufacturing same |
| US10483320B2 (en) | 2015-12-10 | 2019-11-19 | Everspin Technologies, Inc. | Magnetoresistive stack with seed region and method of manufacturing the same |
| US9590010B1 (en) * | 2016-03-24 | 2017-03-07 | Qualcomm Incorporated | Perpendicular magnetic tunnel junction (pMTJ) devices employing a thin pinned layer stack and providing a transitioning start to a body-centered cubic (BCC) crystalline / amorphous structure below an upper anti-parallel (AP) layer |
| US10361361B2 (en) * | 2016-04-08 | 2019-07-23 | International Business Machines Corporation | Thin reference layer for STT MRAM |
| US9680089B1 (en) | 2016-05-13 | 2017-06-13 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions |
| US10566015B2 (en) * | 2016-12-12 | 2020-02-18 | Western Digital Technologies, Inc. | Spin transfer torque (STT) device with template layer for heusler alloy magnetic layers |
| US10794968B2 (en) * | 2017-08-24 | 2020-10-06 | Everspin Technologies, Inc. | Magnetic field sensor and method of manufacture |
| US10867625B1 (en) | 2019-03-28 | 2020-12-15 | Western Digital Technologies, Inc | Spin transfer torque (STT) device with template layer for Heusler alloy magnetic layers |
| CN112993151A (zh) * | 2019-12-02 | 2021-06-18 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 半导体结构及其形成方法 |
| CN113449834A (zh) * | 2020-03-26 | 2021-09-28 | 希捷科技有限公司 | 具有多层合成铁磁体自由层的读取器 |
| US11283006B1 (en) * | 2020-05-05 | 2022-03-22 | Western Digital Technologies, Inc. | Methods and apparatus of high moment free layers for magnetic tunnel junctions |
| US11528038B2 (en) | 2020-11-06 | 2022-12-13 | Western Digital Technologies, Inc. | Content aware decoding using shared data statistics |
| US20230084970A1 (en) * | 2021-09-10 | 2023-03-16 | Western Digital Technologies, Inc. | Tunneling magnetoresistive (tmr) device with improved seed layer |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8225489B2 (en) * | 2010-03-26 | 2012-07-24 | Tdk Corporation | Method of manufacturing magnetoresistive element having a pair of free layers |
| CN102881819A (zh) * | 2011-07-13 | 2013-01-16 | 海力士半导体有限公司 | 具有提高的磁性层厚度余量的磁存储器件 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5465185A (en) | 1993-10-15 | 1995-11-07 | International Business Machines Corporation | Magnetoresistive spin valve sensor with improved pinned ferromagnetic layer and magnetic recording system using the sensor |
| JP4731393B2 (ja) * | 2006-04-28 | 2011-07-20 | 株式会社日立製作所 | 磁気再生ヘッド |
| JP5003109B2 (ja) * | 2006-11-14 | 2012-08-15 | 富士通株式会社 | 強磁性トンネル接合素子、その製造方法、及びそれを用いた磁気ヘッド、磁気メモリ |
| JP2009140952A (ja) * | 2007-12-03 | 2009-06-25 | Fujitsu Ltd | Ｃｐｐ構造磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに記憶装置 |
| US8059374B2 (en) * | 2009-01-14 | 2011-11-15 | Headway Technologies, Inc. | TMR device with novel free layer structure |
| JP2011123923A (ja) * | 2009-12-08 | 2011-06-23 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv | 磁気抵抗効果ヘッド、磁気記録再生装置 |
| US8907436B2 (en) * | 2010-08-24 | 2014-12-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Magnetic devices having perpendicular magnetic tunnel junction |
| US20120299132A1 (en) | 2011-05-27 | 2012-11-29 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Tunneling magnetoresistance (tmr) read sensor with low-contact-resistance interfaces |
| US8817426B2 (en) * | 2011-10-17 | 2014-08-26 | HGST Netherlands B.V. | Magnetic sensor having CoFeBTa in pinned and free layer structures |
| US8617644B2 (en) * | 2012-03-08 | 2013-12-31 | HGST Netherlands B.V. | Method for making a current-perpendicular-to-the-plane (CPP) magnetoresistive sensor containing a ferromagnetic alloy requiring post-deposition annealing |
-
2014
- 2014-09-28 US US14/499,218 patent/US9099124B1/en active Active
-
2015
- 2015-09-25 SG SG10201507997XA patent/SG10201507997XA/en unknown
- 2015-09-28 EP EP15187046.6A patent/EP3002755B1/en active Active
- 2015-09-28 CN CN201510881741.XA patent/CN105469809B/zh active Active
- 2015-09-28 JP JP2015189324A patent/JP2016071925A/ja active Pending
- 2015-09-30 KR KR1020150138065A patent/KR20160037817A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8225489B2 (en) * | 2010-03-26 | 2012-07-24 | Tdk Corporation | Method of manufacturing magnetoresistive element having a pair of free layers |
| CN102881819A (zh) * | 2011-07-13 | 2013-01-16 | 海力士半导体有限公司 | 具有提高的磁性层厚度余量的磁存储器件 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| SG10201507997XA (en) | 2016-04-28 |
| EP3002755A2 (en) | 2016-04-06 |
| EP3002755A3 (en) | 2016-09-28 |
| CN105469809A (zh) | 2016-04-06 |
| US9099124B1 (en) | 2015-08-04 |
| JP2016071925A (ja) | 2016-05-09 |
| KR20160037817A (ko) | 2016-04-06 |
| EP3002755B1 (en) | 2021-06-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105469809B (zh) | 隧道磁阻器件和隧道磁阻读磁头 | |
| US7488609B1 (en) | Method for forming an MgO barrier layer in a tunneling magnetoresistive (TMR) device | |
| CN106098083B (zh) | 隧穿磁阻器件和隧穿磁阻读头 | |
| US7800868B2 (en) | Magnetic sensing device including a sense enhancing layer | |
| US6756128B2 (en) | Low-resistance high-magnetoresistance magnetic tunnel junction device with improved tunnel barrier | |
| Maehara et al. | Tunnel Magnetoresistance above 170% and resistance–area product of 1 Ω (µm) 2 attained by in situ annealing of ultra-thin MgO tunnel barrier | |
| US8873204B1 (en) | Current-perpendicular-to-the-plane (CPP) magnetoresistive (MR) sensor structure with multiple stacked sensors and center shield with CoFeB insertion layer | |
| EP2673807B1 (en) | Magnetic element with improved out-of-plane anisotropy for spintronic applications | |
| US7098495B2 (en) | Magnetic tunnel junction element structures and methods for fabricating the same | |
| US8617644B2 (en) | Method for making a current-perpendicular-to-the-plane (CPP) magnetoresistive sensor containing a ferromagnetic alloy requiring post-deposition annealing | |
| JP3976231B2 (ja) | トンネル磁気抵抗効果素子およびその製造方法ならびにトンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびその製造方法 | |
| US8154829B2 (en) | Tunneling magnetoresistive (TMR) device with improved ferromagnetic underlayer for MgO tunneling barrier layer | |
| US8385026B2 (en) | Tunneling magnetoresistive (TMR) read head with low magnetic noise | |
| US8611053B2 (en) | Current-perpendicular-to-the-plane (CPP) magnetoresistive sensor with multilayer reference layer including a Heusler alloy | |
| US8107202B2 (en) | Magnetoresistive sensor with novel pinned layer structure | |
| JP2009117846A (ja) | Ｔｍｒ素子およびその形成方法 | |
| US8675316B2 (en) | Magnetoresistive sensor with sub-layering of pinned layers | |
| US8091209B1 (en) | Magnetic sensing device including a sense enhancing layer | |
| US20230084970A1 (en) | Tunneling magnetoresistive (tmr) device with improved seed layer | |
| Kubota et al. | Tunnel Magnetoresistance above 170% and Resistance–Area Product of 1 (m) 2 Attained by In situ Annealing of Ultra-Thin MgO Tunnel Barrier |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190123 Address after: American California Patentee after: Western Digital Technologies, Inc. Address before: Amsterdam Patentee before: Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B. V. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |