CN109314181A - 隧道磁阻元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明改进隧道磁阻元件的自由磁性层的结构，且实现线性度较高的磁阻特性。在从靠近基板(2)的一侧，按照固定磁性层(10)、绝缘层(20)、自由磁性层(30)的顺序层叠，自由磁性层具有：下表面与绝缘层接合的铁磁层(31)、以及与该铁磁层的上表面接触并层叠的软磁层(33)。构成自由磁性层的铁磁层及软磁层的易磁化轴(A2)为彼此相同的方向且相对于固定磁性层的易磁化轴(A1)为不同的方向。
Description
技术领域
本发明涉及隧道磁阻元件及其制备方法。
背景技术
就隧道磁阻元件(TMR(Tunnel Magneto Resistive)元件)而言，其具有：磁化方向被固定的固定磁性层、受到外部磁场影响而磁化方向改变的自由磁性层、以及在固定磁性层和自由磁性层之间配置的绝缘层，形成磁性隧道结(MTJ(Magnetic Tunnel Junction))。与固定磁性层的磁化方向与自由磁性层的磁化方向的角度差相应地，利用隧道效应使绝缘层的电阻发生变化。作为利用该隧道磁阻元件的产品，可举例的有磁存储器、磁头、磁传感器等。(专利文献1～5)。
另外，存在以下技术(专利文献6)，即，在自由磁性层配置有容易与外部磁场发生反应的软磁层(NiFe或CoFeSiB等)，通过对从靠近基板一侧按照自由磁性层、绝缘层、固定磁性层的顺序层叠的结构进行磁场中热处理，由外部磁场引起固定磁性层的磁化方向与自由磁性层的磁化方向产生角度差，与此相应地利用隧道效应绝缘层电阻发生变化，制备使用以上的、线性度较高的高灵敏度的磁传感器(专利文献6)。
在自由磁性层配置有容易与外部磁场发生反应的软磁层(NiFe或CoFeSiB等)，而且，通过使磁耦合层(Ta或Ru)介入在与绝缘层接合的铁磁层与软磁层之间，除去磁性隧道结和软磁性材料在固体物性上的耦合且仅产生磁耦合的合成耦合被使用(专利文献1～6)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开平9－25168号公报
专利文献2：(日本)特开2001－68759号公报
专利文献3：(日本)特开2004－128026号公报
专利文献4：(日本)特开2012－221549号公报
专利文献5：(日本)特开2013－48124号公报
专利文献6：(日本)特开2013－105825号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，根据本发明的发明者们的研究，在专利文献6记载的结构中，如果为了进一步提高灵敏度，使自由磁性层的形状变大(期望改进Hk以及降低噪声)，则对上层的绝缘层或固定磁性层产生不好的影响(预想是因为均匀性或结晶性变差)，且作为磁传感器的性能提升变得困难。
另一方面，为了不对绝缘层或固定磁性层施加不好的影响并使自由磁性层的形状变大，只要如专利文献1、2、4、5的结构那样，从靠近基板一侧以固定磁性层、绝缘层、自由磁性层顺序层叠即可。但是，在该结构的情况下，不能通过热处理实现线性度较高的高精度的磁传感器。为了将磁阻元件作为精度较好地测量磁场强弱的磁传感器使用，谋求根据从检测磁场为零的状态(中立位置)向正磁场、负磁场变化而上下成比例地产生电阻变化的性质(线性度)。
本发明是鉴于以上现有技术的问题而作出的，其课题在于改进隧道磁阻元件的自由磁性层的结构且实现线性度较高的磁阻特性。
用于解决技术问题的手段
为了解决以上技术问题，第1方面记载的发明是，一种隧道磁阻元件，其通过磁化方向被固定的固定磁性层、受到外部磁场的影响磁化方向发生变化的自由磁性层以及在所述固定磁性层和所述自由磁性层之间配置的绝缘层形成磁性隧道结，与所述固定磁性层的磁化方向与所述自由磁性层的磁化方向之间的角度差相应地，利用隧道效应使绝缘层电阻发生变化，在所述隧道磁阻元件中，
在从靠近支承所述磁性层以及绝缘层的基板的一侧，按照所述固定磁性层、所述绝缘层、所述自由磁性层的顺序层叠，
所述自由磁性层具有：下表面与所述绝缘层接合的铁磁层、以及与该铁磁层的上表面接触并层叠的软磁层。
第2方面记载的发明是在第1方面记载的隧道磁阻元件，构成所述自由磁性层的所述铁磁层及所述软磁层的易磁化轴为彼此相同方向且相对于所述固定磁性层的易磁化轴为不同方向。
第3方面记载的发明是在第1方面或第2方面记载的隧道磁阻元件，构成所述自由磁性层的所述软磁层是由亚铁磁性的合金构成的。
第4方面记载的发明是在第1方面或第2方面记载的隧道磁阻元件，构成所述自由磁性层的所述软磁层是由坡莫合金(NiFe、NiFeCuMo、NiFeCoMo)或者非晶(CoFeSiB、CoFeCrSiB、CoFeNiSiB、NiFeSiB)合金构成的。
第5方面记载的发明是在第1方面或第2方面记载的隧道磁阻元件，构成所述自由磁性层的所述软磁层是由亚铁磁性合金构成的。
第6方面记载的发明是在第1方面或第2方面记载的隧道磁阻元件，构成所述自由磁性层的所述软磁层是由铁素体合金构成的。
第7方面记载的发明是在第1方面或第2方面记载的隧道磁阻元件，构成所述自由磁性层的所述软磁层是由微晶(NiCuNbSiB、NiCuZrB、NiAlSiNiSrB)合金构成的。
第8方面记载的发明是在第1方面至第7方面中任一项记载的隧道磁阻元件，所述绝缘层是由具有相干隧道效应的材料形成的。
第9方面记载的发明是，是在第1方面至第7方面中任一项记载的隧道磁阻元件，所述绝缘层是由氧化镁、尖晶石、以及氧化铝中的任一种形成的。
第10方面记载的发明是一种隧道磁阻元件的制备方法，其为制备第1方面至第9方面任一项记载的隧道磁阻元件的方法，其具备：
第1磁场中热处理工序，其在所述基板上层叠所述固定磁性层及所述绝缘层，进一步地对将构成所述自由磁性层的所述铁磁层层叠之后的层叠体施加外部磁场，同时进行热处理，使构成所述自由磁性层的所述铁磁层的易磁化轴与所述固定磁性层的易磁化轴形成为相同的方向；
磁场中沉积膜工序，其在所述第1磁场中热处理工序之后，通过与在所述第1磁场中热处理工序时方向不同地施加外部磁场，并同时沉积构成所述自由磁性层的所述软磁层，将所述自由磁性层的易磁化轴形成为相对于所述固定磁性层的易磁化轴不同的方向。
第11方面记载的发明是在第10方面记载的隧道磁阻元件的制备方法，其具备：
第2磁场中热处理工序，其在所述磁场中沉积膜工序之后，在与在所述磁场中沉积膜工序时相同的方向上施加外部磁场，同时进行热处理；
第3磁场中热处理工序，其在所述第2磁场中热处理工序之后，在与在所述第1磁场中热处理工序时相同的方向上施加外部磁场，同时进行热处理。
附图说明
图1A是表示在图1D的曲线图上位置P0状态下的隧道磁阻元件的磁化方向的示意图。
图1B是表示在图1D的曲线图上位置P1状态下的隧道磁阻元件的磁化方向的示意图。
图1C是表示在图1D的曲线图上位置P2状态下的隧道磁阻元件的磁化方向的示意图。
图1D是表示本发明想要实现的理想的磁阻特性的曲线图。
图2是表示现有技术一个例子的隧道磁阻元件的层叠结构的剖视图。
图3是表示在图2的现有技术例中发现的磁阻特性的曲线图。横轴为外部磁场(H(Oe))，纵轴为隧道磁阻元件的电阻变化率(TMR比(％))。
图4是表示现有技术其他例的隧道磁阻元件的层叠结构的剖视图。
图5是表示本发明的一实施方式的隧道磁阻元件的层叠结构的剖视图。
图6A是表示本发明的一实施方式的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的剖视图。
图6B是表示接着图6A的、本发明的一实施方式的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的剖视图。
图6C是表示接着图6B的、本发明的一实施方式的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的剖视图。
图7是表示本发明的一实施方式的隧道磁阻元件的磁阻特性的曲线图。横轴为外部磁场(H(Oe))，纵轴为隧道磁阻元件的电阻变化率(TMR比(％))。
图8A是是表示本发明的一实施方式的隧道磁阻元件的磁阻特性的曲线图，表示实施完第2、第3磁场中热处理工序之后的曲线图。表示将第2磁场中热处理工序的热处理温度设为200℃的情况，将第3磁场中热处理工序的热处理温度设为180℃的情况。横轴为外部磁场(H(Oe))，纵轴为隧道磁阻元件的电阻变化率(TMR比(％))。
图8B是表示本发明的一实施方式的隧道磁阻元件的磁阻特性的曲线图，表示实施完第2、第3磁场中热处理工序之后的曲线图。表示将第2磁场中热处理工序的热处理温度设为200℃的情况，将第3磁场中热处理工序的热处理温度设为200℃的情况。横轴为外部磁场(H(Oe))，纵轴为隧道磁阻元件的电阻变化率(TMR比(％))。
图9A是表示本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的表面图以及剖视图。
图9B1是表示接着图9A的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的表面图。
图9B2是表示接着图9A的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的剖视图。
图9C1是表示接着图9B的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的表面图。
图9C2是表示接着图9B的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的剖视图。
图9D1是表示接着图9C的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的表面图。
图9D2是表示接着图9C的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的剖视图。
图9E1是表示接着图9D的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的表面图。
图9E2是表示接着图9D的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的剖视图。
图9F1是表示接着图9E的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的表面图。
图9F2是表示接着图9E的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的剖视图。
图9G1是表示接着图9F的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的表面图。
图9G2是表示接着图9F的、本发明的一实施例的隧道磁阻元件的制备工艺的层叠结构的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。以下是本发明的一实施方式，不用于限定本发明。
首先，参照图1A～1D对隧道磁阻元件的基本结构及本发明想要实现的理想的磁阻特性进行说明。
图1A～1C所示的隧道磁阻元件1是，通过磁化方向被固定的固定磁性层10、受到外部磁场影响磁化方向改变的自由磁性层30、以及在固定磁性层10和自由磁性层30之间配置的绝缘层20形成磁性隧道结，与固定磁性层10的磁化方向和自由磁性层30的磁化方向的角度差相应地利用隧道效应使绝缘层20的电阻改变的元件。
图1A～1C表示在图1D所示的各磁场状态下的固定磁性层10的磁化方向10A与自由磁性层30的磁化方向30A。图1A表示在检测磁场为零的状态(中立位置，图1D的曲线图上位置P0)下的固定磁性层10的磁化方向10A与自由磁性层30的磁化方向30A，图1B表示在规定的正磁场被负载的状态(图1D的曲线图上位置P1)下的固定磁性层10的磁化方向10A与自由磁性层30的磁化方向30A，图1C表示在规定的负磁场被负载状态(图1D的曲线图上位置P2)下的固定磁性层10的磁化方向10A与自由磁性层30的磁化方向30A。
图1A是在检测磁场为零的状态(中立位置P0)下，固定磁性层10的磁化方向10A与自由磁性层30的磁化方向30A在大致90度扭曲的位置稳定。这是因为，固定磁性层10与自由磁性层30分别在易磁化轴方向上磁化。即，图1A～C所示的隧道磁阻元件1是自由磁性层30的易磁化轴相对于固定磁性层10的易磁化轴形成在大致90度扭曲的位置的元件，图1A所示的箭头10A表示固定磁性层10的易磁化轴方向，箭头30A表示自由磁性层30的易磁化轴方向。
如图1A～1C所示，固定磁性层10的磁化方向10A不受外部磁场变化的影响，固定磁性层10的磁化方向10A是恒定的，自由磁性层30的磁化方向30A受外部磁场(H1，H2)的影响而发生变化。
如图1B所示，如果相对于固定磁性层10的磁化方向10A相反方向的外部磁场H1被施加于隧道磁阻元件1，则自由磁性层30的磁化方向30A向固定磁性层10的磁化方向10A的反方向侧自旋，且利用隧道效应绝缘层20的电阻增大(在图1D中电阻从R0增加到R1)。用图1A～1C中电流I0、I1、I2的箭头粗细示意性地表示电阻的变化。
如图1C所示，如果相对于固定磁性层10的磁化方向10A相同方向的外部磁场H2被施加于隧道磁阻元件1，则自由磁性层30的磁化方向30A向与固定磁性层10的磁化方向10A的相同方向侧自旋，且利用隧道效应绝缘层20的电阻减小(在图1D中电阻从R0减小到R2)。
如图1D所示，想要实现具有以下性质的隧道磁阻元件1，即，在使电阻(纵轴)增大的方向上和减少的方向上，都相对于外部磁场的强度成比例地(曲线图为直线)产生电阻变化的性质(线性度)。
图2所示的现有技术例的隧道磁阻元件101，是与专利文献1～5记载的元件一类，在绝缘层20的下部形成固定磁性层10，在绝缘层20的上部形成自由磁性层30，自由磁性层30是在铁磁层(CoFeB)31和软磁层(NiFe或CoFeSi)33之间介入磁耦合层(Ru)32的层叠结构。
详细来说，现有技术例的隧道磁阻元件101具有如下的层叠结构，即，在基板(Si，SiO2)2上形成基底层(Ta)3，在基底层(Ta)3上从下开始层叠反铁磁层(IrMn)11、铁磁层(CoFe)12、磁耦合层(Ru)13、铁磁层(CoFeB)14作为固定磁性层10，经由绝缘层(MgO)20在绝缘层(MgO)20上从下开始层叠铁磁层(CoFeB)31、磁耦合层(Ru)32、软磁层(NiFe或CoFeSi)33作为自由磁性层30。
在这样的现有技术例的隧道磁阻元件101中，即使每次施加方向不同的外部磁场同时进行多次磁场中热处理的热处理，所有磁性层的易磁化轴方向也一致而磁阻特性成为如图3所示的磁滞较高的形态，从而不能实现上述的线性度。图2所示的箭头A1是磁性层的易磁化轴方向。
另一方面，如图4所示的现有技术例的隧道磁阻元件102是与专利文献6记载的元件一类，具有相对于图2使固定磁性层10与自由磁性层30上下颠倒的层叠结构。在这样的现有技术例的隧道磁阻元件102中，虽然能够将自由磁性层30的易磁化轴方向(箭头A1)形成为与固定磁性层10的易磁化轴方向(箭头A2)不同的方向，并且能够使自由磁性层30的形状变大(期望改进Hk且降低噪声)，但对上层的绝缘层20或固定磁性层10产生不好的影响(预想原因为均匀性或结晶性变差)，作为磁传感器的性能提升变得困难。
在此，如图5所示，本发明的隧道磁阻元件1A与现有技术例的隧道磁阻元件101一样，基板2支承磁性层10、30以及绝缘层20，从靠近基板2的一侧按照固定磁性层10、绝缘层20、自由磁性层30的顺序将它们层叠，相对于现有技术例的隧道磁阻元件101的层叠结构除去磁耦合层(Ru)32，自由磁性层30为具有下表面与绝缘层20接合的铁磁层31、以及与该铁磁层31的上表面接触并层叠的软磁层33的层叠结构。
根据相关的层叠结构，能够形成构成自由磁性层30的铁磁层31及软磁层33的易磁化轴彼此为相同方向且相对于固定磁性层10的易磁化轴处于不同方向(扭曲位置，例如大致90度扭曲的方向)的磁化特性，能够实现上述线性度。
(制备工艺要点)
为此说明制备方法的要点。
首先，如图6A所示，将从基板2至少到铁磁层31的层层叠之后，对该层叠体施加规定方向(箭头A1)的外部磁场同时进行热处理，实施将构成自由磁性层30的铁磁层31的易磁化轴与固定磁性层10的易磁化轴形成为相同方向的第1磁场中热处理工序。
在相关的第1磁场中热处理工序之后，如图6B所示，通过以扭曲方向的方式使其与在第1磁场中热处理工序时不同(成为箭头A2方向)地施加外部磁场的同时沉积构成自由磁性层30的软磁层33，在自由磁性层30的易磁化轴相对于固定磁性层10的易磁化轴形成为不同方向(例如，大致90度扭曲的方向)的磁场中实施沉积膜工序，得到图6C所示的层叠结构。
如图6C所示，经过以上第1磁场中热处理工序、磁场中沉积膜工序，能够形成构成自由磁性层30的铁磁层31以及软磁层33的易磁化轴为彼此相同方向且相对于固定磁性层10的易磁化轴处于不同方向(优选的是大致90度扭曲的方向)的磁化特性。即，固定磁性层10的易磁化轴形成为在第1磁场中热处理工序时所施加的磁场方向(箭头A1)，自由磁性层30的易磁化轴形成为在磁场中沉积膜工序时所施加的磁场方向(箭头A2)。
该时间点，能够得到具有图7所示线性度的磁阻特性。
进一步地，在上述磁场中沉积膜工序之后，优选的是实施接下来的工序。即，实施第2磁场中热处理工序，该第2磁场中热处理工序为，在与在磁场中沉积膜工序时方向相同的方向(箭头A2)上施加外部磁场，同时进行热处理。进一步地，在第2磁场中热处理工序之后，实施第3磁场中热处理工序，该第3磁场中热处理工序为，在与在第1磁场中热处理工序时方向相同的方向(箭头A1)上施加外部磁场，同时进行热处理。由此，能够如图8所示降低Hk、Hc并实现高灵敏度化。
(制备工艺的实施例)
在此，参照附图9A～9G2对遵从上述制备工艺要点的制备工艺的一实施例进行说明。在图9A～9G2中省略基底层3的图示。
对在基板2上沉积的铁磁隧道接合(Magnetic Tunnel Junction：MTJ)多层膜(层10、20、31)进行第1磁场中热处理工序(图9A)。将施加的磁场方向设定为箭头A1方向，将磁场的强度设定为1T，将热处理温度设定为375℃。通过该热处理能够较大地提高电阻变化率即隧道磁阻(Tunnel Magneto-Resistance：TMR)比。
在进行第1磁场中热处理工序的MTJ多层膜表面，通过光刻法或电子射线蚀刻法(在本实施例中为光刻法)形成光刻胶图案(图9B1、9B2)。层41是形成在铁磁层31上的Ta层，是在第1磁场中热处理工序之前形成的。在Ta层41上形成光刻胶图案42。
对形成光刻胶图案42的MTJ多层膜进行Ar离子研磨，直到MgO绝缘层20进行蚀刻(图9B1、9B2)。由于光刻胶图案42正下方的MTJ多层膜未暴露在Ar离子中，因此多层膜结构剩余到最上部层，形成的光刻胶形状的MTJ柱(pillar)被形成(图9B1、9B2)。
由于使MTJ柱与通过之后的工艺沉积的软磁层33及上部电极层电绝缘，仅在MTJ柱部分流通电流，因此形成层间绝缘层43(图9C1、9C2)。层间绝缘层43的材料可以使用SiO2或Al-Ox(本实施例中使用SiO2)。作为层间绝缘层43的形成工艺，可以使用剥离法或接触孔形成法(本实施例中为剥离法)。在剥离法中，保留用于形成MTJ柱的光刻胶图案42不变，在基板整体上沉积SiO2等绝缘膜。绝缘膜的沉积可以使用磁控溅射法或低温CVD(本实施例中使用低温CVD)。绝缘膜沉积之后，通过丙酮或二甲基吡咯烷酮等有机溶剂对基板进行超音波清洗，除去光刻胶42。此时，由于在光刻胶42上沉积的绝缘膜也被除去，因此能够制备仅露出MTJ柱上面多层膜的结构。在接触孔形成法中，通过有机溶剂等除去用于形成MTJ柱的光刻胶图案42，在基板整体上沉积绝缘膜。之后，通过仅在MTJ柱上的电接触有必要的部分形成开口的光刻胶图案，且将CHF3、CH4等用作工艺气体进行反应性刻蚀，而在绝缘膜形成开口。通过有机溶剂等除去用于接触开口的光刻胶图案，能够制备仅露出MTJ柱上面多层膜的结构。
相对于形成层间绝缘层43的基板，使用用于形成软磁层33及上部电极的掩膜并通过光刻法形成光刻胶图案44(图9D1、9D2)。在软磁层33及上部电极层的区域进行作为开口的图案的形成。
对用于形成软磁层33及上部电极层的光刻胶图案44的基板进行Ar离子研磨的刻蚀，在MTJ多层膜中的上部使CoFeB铁磁层31露出(图9E1、9E2)。通过在该露出的CoFeB层31上沉积软磁层33，磁阻曲线表现为软磁特性。为了防止因CoFeB层31表面的氧化等导致CoFeB层31与软磁层33的磁耦合被抑制，希望在Ar离子研磨与沉积软磁层33之间不将基板暴露在大气中，且在真空下连续地进行刻蚀和膜的沉积。软磁层33的材料可以使用CoFeSiB等非晶材料或NiFe系合金等软磁材料(本实施例中使用CoFeSiB)。在沉积软磁层33之时，通过施加磁场于MTJ多层膜的难磁化轴方向(箭头A2方向)的同时进行膜的沉积(图9F1、9F2)，能够将MTJ下部的磁性多层膜与上部CoFeB层31及软磁层33的易磁化轴形成为90度扭曲的关系，由此能够得到电阻相对于自由磁性层30的难磁化方向的磁场成分而线形地变化的具有如图7所示的线性度的磁阻曲线。
在本实施例中，基板2为Si、SiO2，在基板2上层叠5nm的Ta、10nm的Ru、10nm的IrMn、2nm的CoFe、0.85nm的Ru、3nm的CoFeB、2.7nm的MgO、3nm的CoFeB、5nm的Ta，磁场强度设为1T，温度设为375℃，进行第1磁场中热处理。之后，在使CoFeB层31露出之后，通过磁场中溅射沉积软磁层(CoFeSiB)33直到膜厚为100nm。
在沉积软磁层33之后，沉积上部电极层(图9G1、9G2)。作为上部电极层材料，可以使用Ta、Al、Cu、Au等以及它们的多层膜(本实施例中为Ta/Al多层膜)。上部电极层防止软磁层33氧化，且上部电极层承担传感器工作时与电源回路或放大器电路等的电连接功能。
通过用有机溶剂等对沉积软磁层33及上部电极的基板进行超音波清洗且除去光刻胶44，能够除去光刻胶开口部以外的软磁层33及上部电极层(图9G1、9G2)。因此，软磁层33及上部电极层可以通过光刻法形成为任意的形状。另外，通过进行多次光刻，能够制备软磁层33与上部电极具有不同形状的元件。
虽然隧道磁阻元件被通过以上微细加工制备，但在制备软磁层33之后，处于未进行热处理的as-deposited的状态。因此，通过对制备的元件再次进行磁场中热处理且操作软磁层33的磁各向异性，能够表现出具有更软磁性的磁阻曲线。通过进行旋转磁场中热处理或将磁场方向从软磁层33的难磁化轴向易磁化轴改变的热处理等，能够使软磁层33的Hk降低，获得更高的磁场灵敏度。
在本实施例中，将磁场方向设为相对于第1磁场中热处理工序时的方向(箭头A1方向)90度的方向(箭头A2方向)并实施第2磁场中热处理工序，进一步设为0度方向(箭头A1方向)并进行第3磁场中热处理工序。第2磁场中热处理工序为将热处理温度设为200℃，第3磁场中热处理工序为将热处理温度设为200℃，得到图8B所示的磁阻曲线。图8A是将第2磁场中热处理工序的热处理温度设为200℃，将第3磁场中热处理工序的热处理温度设为180℃的情况。这样，可知，通过提高第3磁场中热处理工序的热处理温度，Hk、Hc都变小且实现高灵敏度化。
如图5所示，本发明的隧道磁阻元件与现有技术的元件结构不同，由于是对MTJ多层膜进行第1磁场中热处理工序之后溅射软磁层的结构，因此，软磁层不会对通过磁场中热处理表现为高TMR比的工艺产生不好的影响。因此，能够将使用于软磁层的材料的选择项设置得较宽，只要从亚铁磁性(例如坡莫合金或非晶)、铁磁性(例如铁素体)、微晶合金等配合用途或便利性选择最合适的材料即可。
另外，现有技术的隧道磁阻元件的自由磁性层膜厚极限为几纳米～几百纳米，但本发明的隧道磁阻元件的自由磁性层能够接合几微米的软磁层，因此软磁层的体积能够取非常大的值。因此，有望能够大幅降低由自由磁性层的热波动引起的白噪声或1/f噪声，制备具有高SN比的磁传感器。
进一步地，由于自由磁性层位于元件的最表面，因此能够自由地设计形状。因此，有望制备在自由磁性层内置有集中磁通的磁通集中器(Flux Concentrator：FC)的隧道磁阻元件。虽然在现有技术中制备物理分开隧道磁阻元件与FC的结构，但由于在本发明中，自由磁性层和FC成为薄膜接合的结构或者一体的结构，因此能够最大限度地利用磁通的集中效应。
产业上的利用可能性
本发明可以应用于隧道磁阻元件及其制备方法上。
附图标记说明
1 隧道磁阻元件
1A 隧道磁阻元件
2 基板
3 基底层
10 固定磁性层
20 绝缘层
30 自由磁性层
31 铁磁层
33 软磁层
Claims (11)
1.一种隧道磁阻元件，其通过磁化方向被固定的固定磁性层、受到外部磁场的影响磁化方向发生变化的自由磁性层以及在所述固定磁性层和所述自由磁性层之间配置的绝缘层形成磁性隧道结，与所述固定磁性层的磁化方向与所述自由磁性层的磁化方向之间的角度差相应地，利用隧道效应使绝缘层电阻发生变化，所述隧道磁阻元件的特征在于，
在从靠近支承所述磁性层以及绝缘层的基板的一侧，按照所述固定磁性层、所述绝缘层、所述自由磁性层的顺序层叠，
所述自由磁性层具有：下表面与所述绝缘层接合的铁磁层、以及与该铁磁层的上表面接触并层叠的软磁层。
2.如权利要求1所述的隧道磁阻元件，其特征在于，构成所述自由磁性层的所述铁磁层及所述软磁层的易磁化轴为彼此相同的方向且相对于所述固定磁性层的易磁化轴为不同的方向。
3.如权利要求1或2所述的隧道磁阻元件，其特征在于，构成所述自由磁性层的所述软磁层是由亚铁磁性的合金构成的。
4.如权利要求1或2所述的隧道磁阻元件，其特征在于，构成所述自由磁性层的所述软磁层是由坡莫合金(NiFe、NiFeCuMo、NiFeCoMo)或者非晶(CoFeSiB、CoFeCrSiB、CoFeNiSiB、NiFeSiB)合金构成的。
5.如权利要求1或2所述的隧道磁阻元件，其特征在于，构成所述自由磁性层的所述软磁层是由亚铁磁性合金构成的。
6.如权利要求1或2所述的隧道磁阻元件，其特征在于，构成所述自由磁性层的所述软磁层是由铁素体合金构成的。
7.如权利要求1或2所述的隧道磁阻元件，其特征在于，构成所述自由磁性层的所述软磁层是由微晶(NiCuNbSiB、NiCuZrB、NiAlSiNiSrB)合金构成的。
8.如权利要求1～7中任一项所述的隧道磁阻元件，其特征在于，所述绝缘层是由具有相干隧道效应的材料形成的。
9.如权利要求1～7中任一项所述的隧道磁阻元件，其特征在于，所述绝缘层是由氧化镁、尖晶石、以及氧化铝中的任一种形成的。
10.一种隧道磁阻元件的制备方法，其为制备权利要求1～9任一项所述的隧道磁阻元件的方法，其具备：
第1磁场中热处理工序，其在所述基板上层叠所述固定磁性层及所述绝缘层，进一步地对将构成所述自由磁性层的所述铁磁层层叠之后的层叠体施加外部磁场，同时进行热处理，使构成所述自由磁性层的所述铁磁层的易磁化轴与所述固定磁性层的易磁化轴形成为相同的方向；
磁场中沉积膜工序，其在所述第1磁场中热处理工序之后，通过与在所述第1磁场中热处理工序时方向不同地施加外部磁场，并同时沉积构成所述自由磁性层的所述软磁层，将所述自由磁性层的易磁化轴形成为相对于所述固定磁性层的易磁化轴不同的方向。
11.如权利要求10所述的隧道磁阻元件的制备方法，其具备：
第2磁场中热处理工序，其在所述磁场中沉积膜工序之后，在与在所述磁场中沉积膜工序时相同的方向上施加外部磁场，同时进行热处理；
第3磁场中热处理工序，其在所述第2磁场中热处理工序之后，在与在所述第1磁场中热处理工序时相同的方向上施加外部磁场，同时进行热处理。
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