CN1192589A - 磁阻膜 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种磁阻膜,它具有多层结构,包括:第一铁磁性层,第二铁磁性层,插入第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层,与第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层。反铁磁性层包括选自锑基合金、氟化物、FeRh基合金、FeS、IrMnCo基合金和CrAl基合金的反铁磁性材料。

Description

磁阻膜
本发明涉及磁阻膜，尤其涉及具有旋阀(spin valve)结构的磁阻膜。
磁阻元件(MR元件)是一种通过探测磁阻膜响应外加磁场而产生的电阻变化来测量磁场强度及其变化的元件。含有这种磁阻元件的重放磁头(reproducehead)(磁阻磁头)的磁灵敏度比常规的感应式磁头更强，已经广泛研究它在硬盘驱动器的复制头上的应用。这种磁阻磁头具有增强的磁灵敏度，能起到推动大面积录制极限(areal recording limits)的作用。因此，目前人们已加倍努力地开发具有高磁阻比的磁阻膜，高磁阻比与提高灵敏度有关。
已知，巨型磁阻元件(GMR元件)具有高磁阻比。这种GMR元件的一个例子是已知的旋阀膜(spin valve film)，该膜具有包括反铁磁性/铁磁性/非磁性导电的/铁磁性层的多层结构。一种已知的特殊的旋阀膜具有FeMn/NiFe/Co/Cu/Co/NiFe多层结构。在具有如此多层结构的旋阀膜中，FeMn反铁磁性层与形成于其上的NiFe层强烈地交换耦合，同时NiFe层与Co层铁磁性耦合。因此，铁磁性层中的一层就被反铁磁性层牵制住(pin)了。因而，当另一铁磁性层的磁化方向响应外部磁场的变化而变化时，会导致磁阻比的显著变化。因此，通过使用这种旋阀膜可以得到增强的磁灵敏度。
然而，常规的反铁磁性层所使用的FeMn易于被腐蚀，在经过抛光处理(一般使用水)后会产生腐蚀坑(微孔)。这会引起磁阻特性不希望的降低。
本发明的一个目的是提供一种磁阻膜，它可以解决上述通常的问题，并且具有巨大的磁阻和增强的耐腐蚀性。
本发明第一方面的磁阻膜具有多层结构，包括第一铁磁性层、第二铁磁性层、插入第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层以及与第一和第二铁磁性层中的一层相耦合(位于该层上)的反铁磁性层，该反铁磁性层包括反铁磁性的锑基合金。
该反铁磁性的锑基合金包括，例如CrSb、FeSb2或(MnxCr1-x)YSb100-Y(0≤X≤0.3，40≤Y≤60)。
本发明第二方面的磁阻膜具有多层结构，包括第一铁磁性层、第二铁磁性层、插入第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层以及与第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层，该反铁磁性层包括反铁磁性的氟化物。
该反铁磁性的氟化物包括，例如CoF3和FeF3。
本发明第三方面的磁阻膜具有多层结构，包括第一铁磁性层、第二铁磁性层、插入第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层以及与第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层，该反铁磁性层包括FeRh基合金。
该FeRh基合金例如FexRh100-x(40≤x≤60)。
另外，FeRh基合金可以含有至少一种选自Pt、Ir、Pd、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Re和Os的金属元素。FeRh基合金中这些添加元素的含量最好不超过30原子百分数。
含有添加元素的FeRh基合金的例子包括Fex(Rh1-yPty)100-x(40≤X≤60，0＜y≤0.5)，Fex(Rh1-yIry)100-x(40≤X≤60，0＜y≤0.5)和Fex(Rh1-yPdy)100-x(40≤X≤60，0＜y≤0.5)。
FeRh基合金的特别的例子是具有Fe50Rh50-xPdx(x≤30)的组成。
Fe50Rh50-xPdx合金组合物中x的值较好的在10-25的范围内，更好的在15-20的范围内。具有这种组成的合金具有高奈耳温度物，因此能增强磁阻膜的抗热性。
本发明第四方面的磁阻膜具有多层结构，包括第一铁磁性层、第二铁磁性层、插入第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层以及与第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层，该反铁磁性层包括FeS。
本发明第五方面的磁阻膜具有多层结构，包括第一铁磁性层、第二铁磁性层、插入第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层以及与第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层，该反铁磁性层包括IrMnCo基合金。
该IrMnCo基合金可以是例如，(IrMn)100-xCox(0＜x≤30)，特别是(Ir25Mn75)100-xCox(0＜x≤30)。x值更好的是在0.1≤x≤20的范围内。
本发明第六方面的磁阻膜具有多层结构，包括第一铁磁性层、第二铁磁性层、插入第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层以及与第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层，该反铁磁性层包括CrAl基合金。
该CrAl基合金可以是例如CrxAl100-x(50≤x≤80)。
在本发明中，如果反铁磁性层被配置在基质上，最好提供至少一层金属层(选自周期表的IVa族、Va族和VIa族金属)或具有bcc(体心立方)晶体结构的非磁性金属层作为反铁磁性层的底基层。周期表的IVa族、Va族和VIa族金属包括，例如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W。这些金属层对于上述本发明第一至第四方面中使用的反铁磁性层材料具有理想的可润湿性。这些金属层不限于具有晶体结构的金属层，可以是无定形的金属层。
具有bcc(体心立方)晶体结构的非磁性金属层包括，例如Cr和Fe。在如Cr层上形成本反铁磁性层可以使得反铁磁性层具有更理想的晶体结构和更好的磁特性。尤其是，当反铁磁性层是bec(体心立方)晶体结构或bct(体心四方)晶体结构时，由具有bcc(体心立方)晶体结构的材料形成的底基层的存在使得反铁磁性层具有能与铁磁性层很强地交换耦合的晶体结构，因此使得反铁磁性层具有稳定的磁特性。
同样，本发明第七方面的磁阻膜具有多层结构，包括第一铁磁性层、第二铁磁性层、插入第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层以及与第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层，该反铁磁性层由一种具有体心立方(bcc)或体心四方(bct)结构的材料组成，以及在该反铁磁性层下有底基层，它由一种具有体心立方结构的材料组成。
本发明的第八方面的磁阻元件包括磁阻膜和用于控制磁阻膜的磁畴的具有多层结构的磁畴(domain)控制膜。该多层结构包括由具有体心立方(bcc)或体心四方(bct)的材料组成的反铁磁性层、装在反铁磁性层上的铁磁性层，装在反铁磁性层下面的底基层，该底基层由具有体心立方结构的材料组成。
在上述第八方面较好的实施方案中，上述磁阻元件中的磁阻膜与上述第七方面的磁阻膜相同。磁阻膜中的底基层和磁畴控制膜中的底基层是用相同的材料形成的，而磁阻膜中的反铁磁性层和磁畴控制膜中的反铁磁性层也是用相同的材料形成的。
在上述第七和第八方面中，底基层可以由例如Cr；Cr和至少一种选自Ta、Zr、Nb、Fe、W、V、Mo、Hf、Cs和Rb的元素的合金；Ta；或者Ta和至少一种选自Zr和Nb的元素的合金形成。
在上述第七和第八方面中，反铁磁性层可以由例如至少一种选自Fe、Mn和Cr的元素与至少一种选自Rh、Pd、Co、Ir、Pt、Ni、Sb和F的元素的合金形成。
在上述第七和第八方面中，底基层的优先取向晶面最好为(100)晶面。
另外，在上述第七和第八方面中，反铁磁性层的优先取向晶面最好是(100)晶面或(001)晶面。如果底基层在(100)晶面优先取向，那么就容易实现反铁磁性层如上的优先取向晶面，即(100)或(001)晶面。
在上述第七和第八方面中，特别好的是：底基层由Cr形成，反铁磁性层由FeRh基合金形成。FhRh基合金包括，例如FeRh以及FhRh和至少一种选自Pd、Co、Ir、Pt、Ni、Sb和F的元素的合金。
本发明的第一至第八方面共同的内容此后即解释为“本发明”的内容。
对于本发明中反铁磁性层的厚度没有特别的限制，但一般在5-100nm的范围内，较好的在5-25nm的范围内。
对于本发明所用的铁磁性层的材料种类并无特别限制，只要铁磁性层是由居里温度高于元件工作温度的铁磁性材料形成的。铁磁性层可以是，例如一层NiFe层、一层Co层或者NiFe层和Co层结合成的双层膜。铁磁性层还可以选自它们的合金。铁磁性层的厚度一般为1-10nm。
本发明中非磁性导电层可以使用任何材料，只要该材料在元件工作温度下是非磁性的，且具有优良的导电性。非磁性导电层可以是，例如Cu层或Ag层。非磁性导电层的厚度一般为1-5nm。
本发明中底基层的厚度(如果装在反铁磁性层下)，一般为1-50nm，较好的为1-20nm。
本发明的磁阻膜一般安装于基质上。任何材料可以用作基质，只要它是非磁性的。基质材料的例子包括Si、TiC、Al2O3和玻璃。
由于本发明磁阻膜中反铁磁性层所用的的材料分别均具有优良的耐腐蚀性，因此本发明的磁阻膜在具有巨大的磁阻的同时也具有优良的耐腐蚀性能。因而该磁阻膜可以在例如制造过程中抗腐蚀，以显示优良的磁阻特性。
在本发明的第七和第八方面中，底基层由具有体心立方结构的材料形成，反铁磁性层由具有体心立方或体心四方结构的材料形成，这使得反铁磁性层具有有助于增强铁磁性层和反铁磁性层之间的交换耦合的晶体取向。这种增强的铁磁性层和反铁磁性层间的交换耦合使得磁阻膜具有稳定和优良的磁阻特性。
图1是本发明第一方面的磁阻膜的一个实施方案的剖视图；
图2是本发明第一方面的磁阻膜的另一个实施方案的剖视图；
图3是表示本发明第一方面的实施方案中所用的反铁磁性层的耐腐蚀性的图；
图4是表示本发明第一方面的实施方案中所用的反铁磁性层的耐腐蚀性的图；
图5是表示本发明第一方面的实施方案中所用的反铁磁性层的耐腐蚀性的图；
图6是本发明第二方面的磁阻膜的一个实施方案的剖视图；
图7是本发明第二方面的磁阻膜的另一个实施方案的剖视图；
图8是表示本发明第二方面的实施方案中所用的反铁磁性层的耐腐蚀性的图；
图9是表示本发明第二方面的实施方案中所用的反铁磁性层的耐腐蚀性的图；
图10是本发明第三方面的磁阻膜的一个实施方案的剖视图；
图11是本发明第三方面的磁阻膜的另一个实施方案的剖视图；
图12是表示本发明第三方面的实施方案中所用的反铁磁性层的耐腐蚀性的图；
图13是本发明第四方面的磁阻膜的一个实施方案的剖视图；
图14是本发明第四方面的磁阻膜的另一个实施方案的剖视图；
图15是表示本发明第四方面的实施方案中所用的反铁磁性层的耐腐蚀性的图；
图16是使用潜态电位测量计时，反铁磁性膜的电流-电势曲线图；
图17是表示每种反铁磁性膜的腐蚀电位的图；
图18是本发明第三和第七方面的磁阻膜的一个实施方案的剖视图；
图19是表示图18所示的实施方案的X射线衍射图案的图；
图20是表示比较磁阻膜的X射线衍射图案的图；
图21是Cr-FeRh-NiFe多层膜的M-H曲线图；
图22是比较磁阻膜的M-H曲线图；
图23是本发明第三和第七方面的磁阻膜的另一个实施方案的剖视图；
图24是CrMo-FeRhIr-NiFe多层膜的M-H曲线图；
图25是本发明第八方面的磁阻元件的一个实施方案的剖视图；
图26是表示本发明第三方面的另一个实施方案中所用的反铁磁性层的耐腐蚀性的图；
图27是表示本发明第三方面的另一个实施方案中所用的反铁磁性层的耐腐蚀性的图；
图28是本发明第三和第七方面的磁阻膜的另一个实施方案的剖视图；
图29是表示本发明第三方面的另一个实施方案中所用的反铁磁性层的耐腐蚀性的图；
图30是本发明第五方面的磁阻膜的一个实施方案的剖视图；
图31是表示本发明第五方面的一个实施方案中所用的反铁磁性层的耐腐蚀性的图；
图32是包括本发明磁阻膜的磁阻元件的一个示范结构的透视图；
图33是本发明第六方面的磁阻膜的一个实施方案的剖视图；
图34是使用潜态电位测量计时，反铁磁性膜的电流-电势曲线图；
图35是表示本发明第六方面的一个实施方案的磁阻特性的图；
图36是表示比较磁阻膜的磁阻特性的图。
图1是本发明第一方面的一个磁阻膜实施方案的剖视图。参见图1，在玻璃基质1上形成了例如Cr的底基层8(厚度为5nm)。在底基层8上形成反铁磁性材料的反铁磁性层2(厚度为15nm)，本实施方案中该反铁磁性材料为锑基合金。在反铁磁性层2上按如下堆叠顺序形成NiFe层3(厚度为3nm)，Co层4(厚度为0.6nm)，Cu层5(厚度为2nm)，Co层6(厚度为0.6nm)和NiFe层7(厚度为3nm)。在本实施方案中，NiFe层3和7均由Ni80Fe20形成。
第一层铁磁性层包括NiFe层3和Co层4。Cu层5作为非磁性导电层形成于第一铁磁性层上。在Cu层5上，形成第二铁磁性层，它包括Co层6和NiFe层7。
反铁磁性层2与NiFe层3和Co层4很强地交换耦合，NiFe层3和Co层4处于所谓被牵制状态(pinned state)。如果不存在外加磁场，或者外加磁场很弱，那么包括Co层6和NiFe层7的第二铁磁性层的磁化方向与包括NiFe层3和Co层4的第一铁磁性层的磁化方向相平行。当接着在反平行方向施加强的外磁场时，包括Co层6和NiFe层7的第二铁磁性层的磁化呈反平行取向排列。当这种变化发生时，将会发现磁阻比有显著变化。因此，图1所示的磁阻膜可称为旋阀磁阻膜。
Cr层8是反铁磁性层2的底基层。反铁磁性层2配置于这样的底基层8上，能起到提高反铁磁性层2的膜性能的作用。底基层8可以由周期表的IVa族、Va族和VI族的金属元素(如Zr、Ta或Hf)形成。
图2是本发明第一方面的另一个磁阻膜实施方案的剖视图。在本实施方案中，磁阻膜中的反铁磁性层2远离基质1成为最高层。如图2所示，在玻璃基质1上，按如下堆叠顺序形成NiFe层7、Co层6、Cu层5、Co层4和NiFe层3。在NiFe层3上形成反铁磁性材料的反铁磁性层2，在本实施方案中，该反铁磁性材料为锑基合金。每层的膜厚度与图1所示的实施方案中的相应层的膜厚度基本相同。在本发明中，将图1实施方案的磁阻膜中从层2至层7的这些层的堆叠顺序颠倒过来，就是图2所示的实施方案。
对于形成图1和图2所示的磁阻膜中每层薄膜的技术并无特别限制，可以是例如离子束溅射。
接着，对图1和图2所示的特定磁阻膜进行测试。分别将三种反铁磁性材料(即：CrSb、FeSb2和(Mn0.2Cr0.8)50Sb50)用作反铁磁性层2来制备各个磁阻膜。图1和2的磁阻膜的磁阻特性可与包含FeMn层作为反铁磁性层2的常规磁阻膜相比，或比之优越。
另外，分别对图1和2的磁阻膜实施方案和常规磁阻膜在260℃进行热处理10个小时，在热处理之后测定其磁阻特性。结果表明，该磁阻膜实施方案的磁阻特性下降程度比常规磁阻膜的磁阻特性下降程度要小得多。我们也是这样认为的，因为本实施方案所用的各种反铁磁性材料(即锑基合金)的奈耳温度高于常规使用的材料FeMn的奈耳温度。那些材料的奈耳温度如下所列：
FeMn                      478K(205℃)
CrSb                      720K(447℃)
FeSb2                    773K(500℃)
(Mn0.2Cr0.8)50Sb50     600K(327℃)
另外，对本实施方案中所用的每种反铁磁性材料进行耐腐蚀性的测试。将一层Co层、一层NiFe层和一层CrSb层按此堆叠顺序形成于硅氧烷基质上，制得用于耐腐蚀性测试的样品薄膜。结果如图3所示。为了比较，将一层Co层、一层NiFe层和一层FeMn层按此堆叠顺序形成于硅氧烷基质上，制得用于耐腐蚀性测试的比较样品薄膜。每层的膜厚度与图1和2所示的实施方案中的相应层的膜厚度相同。将100个样品浸入20℃的净化水中5个小时。从净化水中将它们取出，然后将它们置于扫描式电子显微镜(SEM)下观察。计数产生腐蚀坑的样品数，确定产生腐蚀坑的概率(％)。从图3中明显看出，反铁磁性CrSb层具有比常规的FeMn层高得多的耐腐蚀性能。
同样地，分别使用FeSb2和(Mn0.2Cr0.8)50Sb50作为反铁磁性层来制备样品薄膜，用于测量产生腐蚀坑的概率。结果见图4和5。从图4和5可明显看出，本发明第一方面的各种实施方案所用的反铁磁性层具有比常规的FeMn层高得多的耐腐蚀性能。
图6是本发明第二方面的一个磁阻膜实施方案的剖视图。在玻璃基质1上形成底基层8，在底基层8上形成CoF3或FeF3的反铁磁性层12(厚度为5nm)。在反铁磁性层12上形成类似于图1的实施方案的其它层，构成磁阻膜。由于除了反铁磁性层12以外的其它层均类似于图1的实施方案中的那些层，故对于相同的层用相同的编号表示，以省去对它们的解释。
图7是本发明第二方面的另一个磁阻膜实施方案的剖视图。如图7所示，在本实施方案中，图6的磁阻膜实施方案中的层12和层3至层7的堆叠顺序被颠倒过来了，以致反铁磁性层12成为最高层。既然反铁磁性层12成为本实施方案的最高层，那么底基层8就省略了。与此相反，图6的实施方案中，底基层8形成于基质1上。
分别将两种层(即：CoF3层和FeF3层)用作反铁磁性层12来制备图6和图7中所示的磁阻膜，用于测量它们的磁阻特性。所制备的磁阻膜的磁阻特性可与包含FeMn层作为反铁磁性层的常规磁阻膜相比，或比之优越。
同上，分别将CoF3层和FeF3层作为反铁磁性层，堆叠在包括Co层和NiFe层的双层膜上以制备样品薄膜，用于测量产生腐蚀坑的概率。结果见图8和9。图8为CoF3层的测量结果。图9为FeF3层的测量结果。从图8和9可明显看出，反铁磁性的CoF3层和FeF3层均具有比常规的反铁磁性FeMn层高得多的耐腐蚀性能。
图10是本发明第三方面的一个磁阻膜实施方案的剖视图。如图10所示，在基质1上形成底基层8，在底基层8上形成Fe50Rh35Pd15的反铁磁性层22(厚度为5nm)。在反铁磁性层22上形成类似于图1的实施方案的其它层，构成磁阻膜。由于除了反铁磁性层22以外的其它层均类似于图1的实施方案中的这些层，故对于相同的层用相同的编号表示，以省去对它们的解释。
图11是本发明第三方面的另一个磁阻膜实施方案的剖视图。在本实施方案中，图10的磁阻膜实施方案中的层22和层3至层7的堆叠顺序被颠倒过来了，以致反铁磁性层22成为最高层。NiFe层7直接形成于基质1上，省略了底基层8。与此相反，图10的实施方案中，底基层8形成于基质1上。
测量图10和11的磁阻膜实施方案各自的磁阻特性。它们的磁阻特性可与包含FeMn层作为反铁磁性层的常规磁阻膜相比，或比之优越。
按上述方式制备磁阻膜实施方案的样品用来测量产生腐蚀坑的概率。结果见图12。从图12可明显看出，本实施方案所用的作为反铁磁性层的Fe50Rh35Pd15层具有比常规的FeMn层高得多的耐腐蚀性能。
图13是本发明第四方面的一个磁阻膜实施方案的剖视图。如图13所示，在玻璃基质1上形成底基层8，在底基层8上形成FeS的反铁磁性层32(厚度为5nm)。在反铁磁性层32上形成类似于图1的实施方案的其它层，构成磁阻膜。由于除了反铁磁性层32以外的其它层均类似于图1的实施方案中的这些层，故对于相同的层用相同的编号表示，以省去对它们的解释。
图14是本发明第四方面的另一个磁阻膜实施方案的剖视图。如图14所示，在本实施方案中，图13的磁阻膜实施方案中的层32和层3至层7的堆叠顺序被颠倒过来了，以致反铁磁性层32成为最高层。NiFe层7直接形成于基质1上，省略了底基层8。
测量图13和14的磁阻膜实施方案各自的磁阻特性。它们的磁阻特性可与包含FeMn层作为反铁磁性层的常规磁阻膜相比，或比之优越。
另外，分别对图13和14的磁阻膜实施方案和用于比较的常规磁阻膜在260℃进行热处理10个小时，以便在热处理之后测定它们各自的磁阻特性。包括FeMn层作为反铁磁性层的常规磁阻膜的磁阻特性有显著下降，然而，包括FeS层作为反铁磁性层的磁阻膜实施方案的磁阻特性只有稍稍的下降。我们也是这样认为的，因为FeS的奈耳温度(613K(340℃))高于FeMn的奈耳温度(478K(205℃))。
按上述相同的方式测量FeS反铁磁性层产生腐蚀坑的概率。结果见图15。从图15可见，FeS反铁磁性层具有比常规FeMn层高得多的耐腐蚀性能。
图16是使用潜态电位测量计测量时，反铁磁性层(膜厚度为50nm)的电流-电势曲线图。图16示出了常规FeMn反铁磁性层的电流-电势曲线，还示出了本发明FeRh和CrSb反铁磁性层的电流-电势曲线。按图16中FeMn数据曲线上所示的方式确定每种材料的腐蚀电位，它表示每种材料的耐腐蚀水平。随着电势继续增加，电流开始增加。沿着电流增加的斜率作回归线。该线在x轴上的截距就作为腐蚀电位。图17示出了每种材料的腐蚀电位。从图17可明显看出，本发明中反铁磁性层所用的FeRh和CrSb的腐蚀电位高于常规的反铁磁性层所用的FeMn的腐蚀电位。还表明，使用FeRh或CrSb作为反铁磁性层可以提高反铁磁性层的耐腐蚀性能。
图18是本发明第三和第七方面的一个磁阻膜实施方案的剖视图。参见图18，在玻璃基质1上形成了Cr的底基层18(膜厚度为10nm)，Cr是具有体心立方结构的材料。在底基层18上形成FeRh的反铁磁性层42(膜厚度为50nm)，FeRh是具有体心立方结构的反铁磁性材料。与上述实施方案相似，在反铁磁性42上以下列堆叠顺序形成NiFe层3、Co层4、Cu层5、Co层6和NiFe层7，构成旋阀磁阻膜。在此，作为反铁磁性层42的FeRh具有Fe50Rh50的组成。
每一层均通过射频溅射(RF sputtering)技术形成。氩气的气压设置在1毫乇，射频功率设置在100瓦。在底基层18的膜形成期间基质温度保持在150℃或更高，在其它层的膜形成期间，基质温度保持在室温。膜形成速率控制在约2-5埃/秒。
图19是表示图18所示的多层膜实施方案的X射线衍射图案的图。图20是表示比较多层膜的X射线衍射图案的图，在该比较多层膜中，从图18的实施方案中去除底基层18，直接在基质1上形成FeRh层42。如图19所示，在谱图中出现Cr底基层的(200)晶面峰和FeRh的(200)晶面峰。由此确定，Cr层沿(100)晶面取向，FeRh层沿(100)晶面取向。一般来说，(100)晶面的峰较难出现于X射线衍射图案中。因此，通过(200)晶面的峰来确定取向。另一方面，在去除Cr底基层的比较实施例中，如图20所示，FeRh层沿(110)晶面取向。
图21是由Cr(10nm)/FeRh(50nm)/NiFe(5nm)组成的多层膜的M-H曲线图。图22是由FeRh(50nm)/NiFe(5nm)组成的比较多层膜的M-H曲线图，该比较多层膜去除了Cr层，在基质上直接形成FeRh层。比较图21和图22，可以明显看出，Cr底基层的存在起到了增强反铁磁性层和铁磁性层的交换耦合场的作用。
图23是本发明第三和第七方面的另一个磁阻膜实施方案的剖视图。在本实施方案中，在玻璃基质1上形成了CrMo的底基层28(膜厚度为20nm)，CrMo是具有体心立方结构的材料。在底基层28上形成FeRhIr的反铁磁性层52(膜厚度为50nm)，FeRhIr是具有体心立方结构的反铁磁性材料。与上述图18实施方案相似，在反铁磁性层52上以下列堆叠顺序形成NiFe层3、Co层4、Cu层5、Co层6和NiFe层7，构成旋阀磁阻膜。在此，作为反铁磁性层52的FeRhIr具有Fe50Rh35Ir15的组成。
构成磁阻膜的每一层是通过射频溅射技术形成的，类似于图18所示的实施方案。
图24是由CrMo(20nm)/FeRhIr(50nm)/NiFe(5nm)组成的多层膜的M-H曲线图。从图24可明显看出，在本实施方案的反铁磁性层和铁磁性层之间也产生了巨大的交换耦合场。
图25是本发明第八方面的磁阻元件的一个实施方案的透视图。在本发明的磁阻元件中，用于控制磁阻膜10的磁畴的磁畴控制膜20排列在磁阻膜10的两边。该磁畴控制膜20具有多层结构，包括铁磁性层25形成于反铁磁性层24之上。在本实施方案中，磁畴控制膜20还包括底基层23，位于反铁磁性层24之下。该底基层23和反铁磁性层24均由具有体心立方结构的材料形成。在本实施方案中，底基层23由CrMo层(膜厚度为20nm)组成，反铁磁性层24由FeRhIr层(膜厚度为50nm)组成。铁磁性层25由NiFe层(膜厚度为20nm)组成。
因为底基层23的存在，本发明的磁畴控制膜20中的反铁磁性层24也沿(100)晶面取向，与图18和23各自所示的实施方案类似。因此，在反铁磁性层24和铁磁性层25之间产生了巨大的交换耦合场。因而，可以稳定地施加一个巨大的偏磁场(bias field)于磁阻膜10上，由此能够加强对磁畴的控制。
同样，在磁阻膜10是本发明第七方面的磁阻膜，即由具有体心立方结构的材料的底基层、具有体心立方结构的材料的反铁磁性层、第一铁磁性层、非磁性导电层和第二铁磁性层以此堆叠顺序组成的旋阀磁阻膜的情况下，磁阻膜10的底基层和磁畴控制膜20的底基层23可以由相同的材料形成。此外，磁阻膜10的反铁磁性层和磁畴控制膜20的反铁磁性层24也可以由相同的材料形成。在此情况下，磁阻膜10和磁畴控制膜20各自的底基层可以通过相同的膜形成方法来形成。同样地，磁阻膜10和磁畴控制膜20各自的反铁磁性层也可以通过相同的膜形成方法来形成。这使得它们的形成简单且有效。
另外，在第七和第八方面的磁阻膜中，如果反铁磁性层由具有体心四方结构的材料形成或者反铁磁性层的优先取向晶面是(001)晶面的话，可以得到类似的上述效果。
虽然在以上实施方案中对组成磁阻膜或磁畴控制膜的各层的材料种类作了具体描述，但是本发明不限于这些材料。可以适当地使用其它材料。同样，在那些没有特别说明具有磁畴控制膜的实施方案中，应该理解，可以进一步加入通常在磁阻元件中使用的磁畴控制膜(如纵向或横向的偏磁层)。
图26表示了本发明第三方面中用作反铁磁性层的Fe50Rh50产生腐蚀坑的概率的测量结果。按上述相同的方式制备样品薄膜，即在基质上以下列堆叠顺序形成Co层、NiFe层和作为测量对象的反铁磁性层。从图26可明显看出，用作反铁磁性层的Fe50Rh50层的耐腐蚀性能与常规的FeMn层相比，具有显著的优越性。
图27表示了本发明第三方面中用作反铁磁性层的Fe50Rh35Ir15产生腐蚀坑的概率的测量结果。按从图27可明显看出，用作反铁磁性层的Fe50Rh35Ir15层的耐腐蚀性能与常规的FeMn层相比，具有显著的优越性。
图28是本发明第三和第七方面的又一个磁阻膜实施方案的剖视图。在本实施方案中，在玻璃基质1上形成了Cr的底基层18(膜厚度为10nm)，Cr是具有体心立方结构的材料。在底基层18上形成FeRhPt的反铁磁性层62(膜厚度为50nm)，FeRhPt是具有体心立方结构的反铁磁性材料。与图18所示的实施方案相似，在反铁磁性62上以下列堆叠顺序形成NiFe层3、Co层4、Cu层5、Co层6和NiFe层7，构成旋阀磁阻膜。在此，用作反铁磁性层62的FeRhPt具有Fe50Rh35Pt15的组成。
具有体心立方结构的FeRhPt层形成于具有体心立方结构的Cr层18上(类似于图18所示的实施方案)，起到了提供稳定和优良的磁阻特性的作用。
图29表示了本发明第三方面中用作反铁磁性层的FeRhPt产生腐蚀坑的概率的测量结果。从图29中可明显看出，FeRhPt层具有比常规FeMn层高得多的耐腐蚀性能。
图30是本发明第五方面的一个磁阻膜实施方案的剖视图。参见图30，在玻璃基质1上形成了Cr的底基层18(膜厚度为10nm)，Cr是具有体心立方结构的材料。在底基层18上形成CrAl的反铁磁性层72(膜厚度为50nm)，CrAl是一种反铁磁性材料。与图18所示的实施方案相似，在反铁磁性72上以下列堆叠顺序形成NiFe层3、Co层4、Cu层5、Co层6和NiFe层7，构成旋阀磁阻膜。在此，用作反铁磁性层72的CrAl具有Cr60Al40的组成。如图30所示，本发明第五方面的CrAl反铁磁性层最好形成于由具有体心立方结构的材料形成的底基层上。在这种底基层上形成反铁磁性层，可以使得反铁磁性层具有优良的结晶度，从而得到稳定和优良的磁阻特性。
图31表示了Cr60Al40的反铁磁性层产生腐蚀坑的概率的测量结果。从图31中可明显看出，Cr60Al40层具有比常规FeMn层高得多的耐腐蚀性能。
图32是应用了本发明磁阻膜的磁阻元件的结构透视图。本实施方案的磁阻元件包括在磁阻膜10的两边有磁畴控制膜20，类似于图25所示的实施方案。图32还示出，在磁畴控制膜20上有电极30。电极30是为了向磁阻膜提供电流，并且为了电压读数。电极30由Cu制成。
以上述方式，在基质上形成磁阻膜10、磁畴控制膜20和其它。然后，对与接触空气的表面(air-bearing surface，ABS)相当的表面施加抛光。使用低耐腐蚀性能的反铁磁性层一般会在抛光过程中产生腐蚀。而第三方面的FeRh基合金反铁磁性层和第五方面的CrAl基合金反铁磁性层即使在这样的抛光过程中也没有产生腐蚀坑，这显示了其特别优异的耐腐蚀性能。
图33是本发明第六方面的一个磁阻膜实施方案的剖视图。在本实施方案中，在玻璃基质43上形成Ta底基层44(膜厚度为6.5nm)。在Ta底基层44上形成Co铁磁性层45(膜厚度为5nm)、Cu非磁性导电层(膜厚度为2.5nm)以及Co铁磁性层47(膜厚度为3nm)。在Co铁磁性层47上形成IrMnCo反铁磁性层48(膜厚度为15nm)。在IrMnCo反铁磁性层48上形成作为保护层的Ta层49(膜厚度为5nm)。
在本发明的第六方面中，将Co加入IrMn基合金中以提高其耐腐蚀性能，IrMn基合金的耐腐蚀性一般较差。Co加入IrMn基合金的加入量较好的不超过30原子百分数，更好的在0.1-20原子百分数的范围内。
图34是使用潜态电位测量计测量时，反铁磁性膜的电流-电势曲线图。图34显示了分别加入了0、1、5和10原子百分数的Co的Ir25Mn75反铁磁性层的测量结果。通过在玻璃基质上形成厚度为100埃的各个反铁磁性层制备得到用于测量的样品薄膜。从图34可明显看出，腐蚀电位随着Co加入量的增加而增加，从而得到更高的耐腐蚀性能。
图35是表示图33所示的磁阻膜的磁阻特性的图，在该磁阻膜中，将(Ir25Mn75)90Co10即加入10原子百分数Co的Ir25Mn75基合金用作反铁磁性层48。同样，图36是表示比较磁阻膜的磁阻特性的图，该比较磁阻膜中将Ir25Mn75用作反铁磁性层。
根据使用磁阻膜的本发明的第六方面，比较图35和图36可明显看出，耐腐蚀性能可以大大提高而不会损失磁阻特性。
在图33所示的实施方案中，各层被描述成以下列顺序堆叠：铁磁性层/非磁性导电层/铁磁性层/反铁磁性层。另外，这种堆叠顺序也可以颠倒过来，即各层可以反铁磁性层/铁磁性层/非磁性导电层/铁磁性层的顺序堆叠。另外，可以应用双重型的多层结构，例如包括反铁磁性层/铁磁性层/非磁性导电层/铁磁性层/非磁性导电层/铁磁性层/反铁磁性层。
本发明的磁阻膜使用具有高度耐腐蚀性的材料来形成反铁磁性层，由此得到比包含FeMn层作为反铁磁性层的常规磁阻膜强得多的耐腐蚀性。
另外，本发明第一和第四方面的磁阻膜使用具有较高奈耳温度的反铁磁性材料，因而得到比常规磁阻膜优越的耐热性。
另外，在本发明第七方面的磁阻膜中，将由具有体心立方结构的材料形成的底基层置于由具有体心立方或体心四方结构的材料形成的反铁磁性层之下，由此能够使得磁阻膜的晶面取向以致反铁磁性层和铁磁性层产生巨大交换耦合场，因而得到稳定和优良的磁阻特性。
此外，在本发明第八方面的磁阻元件中，将底基层置于磁畴控制膜的反铁磁性层之下。该底基层由具有体心立方结构的材料形成，该反铁磁性层由具有体心立方或体心四方结构的材料形成。这样的构造可以向磁阻膜施加稳定的偏磁场，得到较好的磁畴控制。

Claims (29)

1.具有多层结构的磁阻膜，所述多层结构包括：
第一铁磁性层；
第二铁磁性层；
插入所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层；和
与所述第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层；
其中，所述反铁磁性层包括反铁磁性的锑基合金。
2.如权利要求1所述的磁阻膜，其特征在于所述反铁磁性的锑基合金是CrSb、FeSb2或(MnxCr1-x)YSb100-Y(0≤X≤0.3，40≤Y≤60)。
3.如权利要求2所述的磁阻膜，其特征在于所述反铁磁性的锑基合金为(MnxCr1-x)50Sb50(0≤x≤0.3)。
4.具有多层结构的磁阻膜，所述多层结构包括：
第一铁磁性层；
第二铁磁性层；
插入所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层；和
与所述第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层；
其中，所述反铁磁性层包括反铁磁性的氟化物。
5.如权利要求4所述的磁阻膜，其特征在于所述反铁磁性的氟化物为CoF3或FeF3。
6.具有多层结构的磁阻膜，所述多层结构包括：
第一铁磁性层；
第二铁磁性层；
插入所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层；和
与所述第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层；
其中，所述反铁磁性层包括FeRh基合金。
7.如权利要求6所述的磁阻膜，其特征在于所述FeRh基合金是FexRh100-x(40≤x≤60)。
8.如权利要求6所述的磁阻膜，其特征在于所述FeRh基合金包含至少一种选自Pt、Ir、Pd、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Re和Os的金属元素。
9.如权利要求6所述的磁阻膜，其特征在于所述FeRh基合金为Fex (Rh1 -YPtY)100-x(40≤x≤60，0＜y≤0.5)。
10.如权利要求6所述的磁阻膜，其特征在于所述FeRh基合金为Fex(Rh1-YIrY)100-x(40≤x≤60，0＜y≤0.5)。
11.如权利要求6所述的磁阻膜，其特征在于所述FeRh基合金为Fex(Rh1-YPdY)100-x(40≤x≤60，0＜y≤0.5)。
12.具有多层结构的磁阻膜，所述多层结构包括：
第一铁磁性层；
第二铁磁性层；
插入所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层；和
与所述第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层；
其中，所述反铁磁性层包括FeRh或Fe50Rh50-xPdx(x≤30)。
13.具有多层结构的磁阻膜，所述多层结构包括：
第一铁磁性层；
第二铁磁性层；
插入所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层；和
与所述第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层；
其中，所述反铁磁性层包括FeS。
14.具有多层结构的磁阻膜，所述多层结构包括：
第一铁磁性层；
第二铁磁性层；
插入所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层；和
与所述第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层；
其中，所述反铁磁性层包括IrMnCo基合金。
15.如权利要求14所述的磁阻膜，其特征在于所述IrMnCo基合金是(IrMn)100-xCox(0＜x≤30)。
16.如权利要求15所述的磁阻膜，其特征在于所述IrMnCo基合金是(Ir25Mn75)100-xCox(0＜x≤30)。
17.具有多层结构的磁阻膜，所述多层结构包括：
第一铁磁性层；
第二铁磁性层；
插入所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层；和
与所述第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层；
其中，所述反铁磁性层包括CrAl基合金。
18.如权利要求17所述的磁阻膜，其特征在于所述CrAl基合金是CrxAl100-x(50≤x≤80)。
19.如权利要求1-18中任一项所述的磁阻膜，其特征在于它还包括反铁磁性层的底基层，所述底基层包括至少一种位于周期表的IVa族、Va族或VIa族的金属材料，或者具有体心立方晶体结构的金属材料。
20.如权利要求1-19中任一项所述的磁阻膜，其特征在于所述铁磁性层包括NiFe层和Co层组成的多层膜。
21.如权利要求1-20中任一项所述的磁阻膜，其特征在于所述非磁性导电层为Cu层。
22.具有多层结构的磁阻膜，所述多层结构包括：
第一铁磁性层；
第二铁磁性层；
插入所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电层；
与所述第一和第二铁磁性层中的一层相耦合的反铁磁性层；和
置于所述反铁磁性层之下的底基层；
其中，所述反铁磁性层包括具有体心立方或体心四方结构的材料，所述底基层包括具有体心立方结构的材料。
23.如权利要求22所述的磁阻膜，其特征在于所述底基层包括Cr；Cr和至少一种选自Ta、Zr、Nb、Fe、W、V、Mo、Hf、Cs和Rb的元素的合金；Ta；或者Ta和至少一种选自Zr和Nb的元素的合金。
24.如权利要求22或23所述的磁阻膜，其特征在于所述反铁磁性层包括至少一种选自Fe、Mn和Cr的元素与至少一种选自Rh、Pd、Co、Ir、Pt、Ni、Sb和F的元素的合金。
25.如权利要求22-24中任一项所述的磁阻膜，其特征在于所述底基层的优先取向晶面为(100)晶面。
26.如权利要求22-25中任一项所述的磁阻膜，其特征在于所述反铁磁性层的优先取向晶面为(100)晶面或(001)晶面。
27.如权利要求22-26中任一项所述的磁阻膜，其特征在于所述底基层由Cr形成，所述反铁磁性层由FeRh基合金形成。
28.磁阻元件，包括：
磁阻膜；和
用于控制所述磁阻膜的磁畴的具有多层结构的磁畴控制膜，
所述多层结构包括：
反铁磁性层，包括一种具有体心立方或体心四方结构的材料，
位于所述反铁磁性层之上的铁磁性层，以及
位于所述反铁磁性层之下的底基层，该底基层包括一种具有体心立方结构的材料。
29.如权利要求28所述的磁阻元件，其特征在于所述磁阻膜为权利要求22-27中任一项所述的磁阻膜，所述磁阻膜的底基层和所述磁畴控制膜的底基层是由相同材料形成的，所述磁阻膜的反铁磁性层和所述磁畴控制膜的反铁磁性层是由相同材料形成的。
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