CN1333534A - 自旋阀及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

具有低而稳定耦合场的自旋阀的制作方法包括氧暴露步骤。使用离子束溅射方法沉积第一铁磁层。其第一表面暴露到氧分压大约为5×10－6Torr中。氧被物理吸附到第一表面。在间隔层沉积之前,氧分压迅速减小。间隔层具有第二表面,用氧对其处理。在第二铁磁层沉积之前,氧分压迅速减小。氧的表面吸附限制了层间的混合并减小了表面粗糙度,导致减小了自旋阀的耦合场。耦合场在强烘烤退火中是稳定的。磁阻率也显著增强。

Description

自旋阀及其制造方法
技术领域
本发明通常涉及自旋阀。特别是，涉及自旋阀的耦合场。
背景技术
通过磁性材料制作的读元件的电阻变化，自旋阀或磁阻(MR)传感器探测磁场信号，作为读元件检测出的磁通量强度和方向的函数。常规MR传感器在各向异性磁阻效应(AMR)的基础上操作，其中读元件电阻的分量随着读元件中的磁化和感应电流流经读元件的方向之间夹角的余弦的平方变化。被记录数据可从磁性介质读取，这是因为来自被记录从磁性介质(信号场)的外部磁场在读元件中引起磁化方向上的变化，其依次在读元件中引起电阻的变化(ΔR/R)和在感应电流或电压中引起相应的变化。已认识到对于自旋阀，其中两去耦铁磁层之间的电阻随着这两层磁化之间的夹角的余旋变化，和电流的方向无关。总之，ΔR/R越大，耦合场Hf越小，自旋阀的性能越好。
外磁场引起相邻铁磁层磁化的相对取向的变化。其依次引起传导电子自旋相关散射的变化，因而引起自旋阀的电阻变化。自旋阀的电阻因此随着铁磁层磁化的相对排列变化而变化。
具有代表性地，常规简单自旋阀包括铁磁自由层，间隔层，单层钉扎(pinned)铁磁层，其与反铁磁(AF)层交换耦合。在反平行(AP)钉扎自旋阀中，单层钉扎铁磁层被层压结构取代，该层压结构至少包括被一个或多个薄反铁磁耦合或AP间隔次层隔离的两个铁磁钉扎次层。
通常，由于在自旋阀间隔层中感应电流减小的分流，自旋阀的ΔR/R值随着间隔层厚度的减小而增加。例如，具有厚度为28的铜间隔层的自旋阀会得到大约为5％的ΔR/R。如果铜间隔层的厚度减小到20，会得到8％的ΔR/R。然而，铁磁耦合场Hf也随着间隔层厚度的减小而增加。另外，常规自旋阀的铁磁耦合场在退火周期中是不稳定的。例如，自旋阀的铁磁耦合场从退火过程开始时的+5Oe变化到退火周期后的+20Oe。
由Egelhoff等人于1997年12月15日在Journal of Applied Physic上发表的名称为“在巨磁阻自旋阀生长中氧作为表面活性剂”的文章公开了一种通过使用氧增加Co/Cu自旋阀巨磁阻ΔR/R的方法。在该方法中，氧被引入到超高真空沉积室，并且在自旋阀层沉积过程中氧的分压为5×10-9Torr，或者上铜表面暴露于氧中以得到氧覆层，在此后完成样品的生长。在薄膜生长过程中氧作为表面活性剂，以抑制缺陷和形成更加反射地散射电子的表面。氧覆层减小了磁层间的铁磁耦合，并减小了自旋阀的薄层电阻。
不幸地是，该技术需要很小的大约为5×10-9Torr的氧分压窗口，因为当氧分压增加到仅仅10-8Torr时，由于氧所有的GMR(ΔR/R)增益消失，并且在氧分压高于此值时，GMR中的衰减是快速的。在大的生产型系统中很难得到或维持如此小的氧分压。而且，只对铜间隔层的一个表面进行氧暴露，没有最优化铁磁耦合场。此外，对所有的自旋阀层沉积使用氧可导致诸如FeMn，PtMn，IrMn，PdPtMn和NiMn的反铁磁材料中的Mn的氧化，因此消除了自旋阀效应。从而该技术不能用于自旋阀沉积。
另外，只在铜表面上吸附氧不能提高GMR，并且只产生正耦合场。此外，该技术导致薄层电阻的减小，其减小了所有的信号。最后，现有技术氧处理在强的烘烤退火周期中不能稳定铁磁耦合场。
因此，就需要一种克服上述困难的制作自旋阀的改进方法。
发明内容
因此，本发明的基本目的在于提供具有低而稳定的耦合场Hf的自旋阀。
本发明的又一目的在于提供具有高磁阻率ΔR/R的自旋阀。
本发明的另一目的在于开发一种能在生产系统中使用的氧分压水平制作自旋阀的方法。
本发明的另一目的在于开发一种在生产过程中得到负耦合场的自旋阀的制作方法。
本发明的又一目的在于开发一种自旋阀的制作方法，该方法不导致薄层电阻的减小。
本发明的另一目的在于开发一种自旋阀的制作方法，该方法可与金属反铁磁材料或氧化物一起使用。
本发明的附加目的在于提供一种制作具有上述性能的自旋阀的方法，该方法可用于底和顶自旋阀。
通过利用氧处理的具有一铁磁层的第一表面和间隔层的第二表面的自旋阀，达到这些目的和优点。
根据本发明第一实施方案，简单自旋阀包括具有第一表面的铁磁层，例如铁磁自由层，和具有第二表面的间隔层。第一和第二表面的一个或多个用氧处理，在这些表面上物理吸附的氧限制了层间的混合并减小这些表面的表面粗糙度。结果，减小了耦合场。对大约20的铜得到的耦合场大约为-10Oe，并且该耦合场在232℃11小时或270℃6小时的强烘烤退火周期中是稳定的。此外，磁阻率ΔR/R从大约6％提高到大约9％。
根据本发明第二实施方案，底AP钉扎自旋阀包括铁磁层第一表面，和用氧处理的间隔层第二表面，该铁磁层为AP钉扎次层。在AP钉扎自旋阀中氧表面处理效果同第一实施方案描述的简单自旋阀中的氧表面处理效果相似。
具有用氧处理表面的自旋阀的制作方法描述在本发明的第三实施方案中。利用离子束溅射技术制作自旋阀。衬底提供在真空室中。可以是顶自旋阀自由层或底自旋阀钉扎层的第一铁磁层，沉积在衬底上。通过引进氧气喷入真空室，第一铁磁层的第一表面暴露在氧富氛围中，氧分压在大约5×10-6Torr。引导氧分子朝向衬底，并且全部打开衬底闸门，以把衬底直接暴露到氧气束中。然后氧分压在间隔层沉积之前迅速降低到低于10-8Torr。间隔层被新近沉积到第一氧化处理的表面上，或者在间隔层的沉积中氧可漂浮大约30秒。间隔层的厚度大约为20。第二氧喷引入到真空室中，氧分压大约为5×10-6Torr，用于处理间隔层的第二表面。该第二表面的处理方法和上述第一表面的处理方法相似。在第二铁磁层新近沉积之前氧分压迅速减小到低于10-8Torr，该铁磁层可为顶自旋阀的钉扎层或底自旋阀的自由层。
第三实施方案描述的方法可用于顶和底简单自旋阀，顶和底AP钉扎自旋阀以及双自旋阀。
根据本发明第三实施方案，在第一和第二实施方案中描述的类型的自旋阀，是通过第三实施方案描述的方法制作的，该自旋阀被结合到GMR读/写头中。该GMR读/写头包括下屏蔽层和上屏蔽层，它们把自旋阀夹入中间，置于下屏蔽和自旋阀之间的下间隙，和置于上屏蔽和自旋阀之间的上间隙。利用铁磁自由层和铁磁钉扎层的磁化方向间的相对角产生的磁阻效应，自旋阀把磁信号转变为电信号。
根据本发明第五实施方案，在第四实施方案中描述的类型的GMR读/写头被结合到一种磁盘驱动系统中，该系统包括磁记录盘，用于旋转磁记录盘的马达，读/写头和用于跨越磁记录盘移动读/写头的传动器。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方案的顶部简单自旋阀的横截面示意图；
图2是根据本发明第二实施方案的底AP钉扎自旋阀的横截面示意图；
图3A-D是横截面示意图，示出了根据本发明第三实施方案具有低而稳定耦合场的自旋阀的制作方法的步骤；
图4示出了AP钉扎自旋阀铜间隔层厚度为20时的粗糙度随着氧气流量变化的曲线；
图5示出了AP钉扎自旋阀铜间隔层厚度为20时的薄层电阻随着氧气流量变化的曲线；
图6示出了AP钉扎自旋阀铜间隔层厚度为20时的磁阻率ΔR/R随着氧气流量变化的曲线；
图7示出了AP钉扎自旋阀铜间隔层厚度为20时的耦合场随着氧气流量变化的曲线；
图8示出了AP钉扎自旋阀铜间隔层厚度为20时的矫顽场随着氧气流量变化的曲线；
图9是描述AP钉扎自旋阀的性能在恒定氧气流量为2sccm下随着铜间隔层沉积时间变化曲线的图表；
图10是只描述磁阻率(ΔR/R)和耦合场Hf随着图9说明的铜间隔沉积时间变化的这两条曲线的图表；
图11是根据本发明第四实施方案的GMR读/写头的示意图；以及
图12是根据本发明第五实施方案的磁盘驱动系统的示意图。
具体实施方式
虽然下面的详细描述为了说明的目的，包含许多细节，但是本领域中的任一普通技术人员应当理解对下面的细节所做的很多变化和改动是在本发明范围内的。因此，陈述下面的本发明优选实施方案，没有失去该申请发明的一般性，并且没有对其强加限制。
图1是横截面示意图，示出了根据本发明第一实施方案的顶部简单自旋阀100的层结构。自旋阀100包括铁磁自由层105，铁磁钉扎层112，和间隔层110，该铁磁自由层包括接触具有第一表面109的纳米层108的铁磁层106，该间隔层具有第二表面111，置于铁磁自由层105和铁磁钉扎层112之间。自旋阀100还可包括置于铁磁钉扎层112和覆盖层116之间的反铁磁(AF)层114，和最接近铁磁自由层105的氧化物籽晶层104。纳米层108增强自旋阀100的磁阻率(ΔR/R)。
铁磁层106典型包括一种包含Ni，Fe，Co或诸如NiFe，NiCo和FeCo的Ni，Fe和Co合金的材料。铁磁钉扎层112典型由Co或CoFe做成。间隔层110典型由Cu，Ag，Au或它们的合金做成。AF层114典型包括一种包含诸如FeMn，PtMn，IrMn，PdPtMn和NiMn的含Mn的材料。纳米层108典型由CoFe做成，覆盖层116典型包括Ta。氧化物籽晶层104典型由NiMnO做成。
在制作自旋阀100的离子束溅射方法期间，利用氧处理第一表面109和第二表面111。氧处理的表面109和111分别限制纳米层108与间隔层110间的混合，和间隔层110与钉扎层112间的混合。这些氧处理的表面109和111减小了表面粗糙度，因此减小了自旋阀100的铁磁耦合Hf，得到的自旋阀100的耦合场Hf在大约-10Oe和大约+10Oe之间，在232℃11小时或270℃6小时的强烘烤退火周期中是稳定的。另外，自旋阀100的磁阻率ΔR/R也从大约6％增强到大约9％。
图2是横截面示意图，示出了根据本发明第二实施方案的底AP钉扎自旋阀200的层结构。AP钉扎自旋阀200包括铁磁自由层205，AP铁磁钉扎层212，和位于铁磁自由层205和AP钉扎层212之间的间隔层210，该铁磁自由层205包括接触纳米层208的铁磁层206。AP钉扎自旋阀200还包括置于AP钉扎层212和金属籽晶层216之间的AF层214，在金属籽晶层216下面的两个氧化物籽晶层202和204，以及放置在铁磁自由层206上面的覆盖层218。除了AP钉扎层212和氧化物籽晶层202，AP钉扎自旋阀200每一层的材料同图1描述的简单自旋阀100对应层的材料相似。氧化物籽晶层202典型地由Al2O3制成。
AP钉扎层212包括第一铁磁钉扎次层220，第二铁磁钉扎次层224，第一钉扎次层220和第二钉扎次层224之间的反平行(AP)钉扎间隔次层222。两个铁磁钉扎次层220和224典型地由CoFe做成。AP钉扎间隔次层222典型地由Ru，Cr，Rh或Cu，或它们的合金做成。
第二铁磁钉扎次层224包括第一表面211，间隔层210具有第二表面209。在AP钉扎自旋阀200的制作过程中，用氧处理第一和第二表面211和209。氧处理表面209和211对AP钉扎自旋阀200的粗糙度和耦合场Hf的影响相似于图1描述的简单自旋阀100的氧处理表面109和111的影响。AP钉扎自旋阀200的耦合场Hf大约为-10Oe，且AP钉扎自旋阀200的磁阻率ΔR/R从大约5.5％提高到大约7.7％。
可利用离子束溅射方法生产图1和图2描述的类型的自旋阀，以容易控制晶片间或晶片中的沉积。由发明者于1999年2月16日授权的美国专利No.5,871,622和1996年2月20日授权的美国专利No.5,492,605公开了一种示范性的溅射方法。图3A-D是横截面示意图，示出了图1和图2描述的类型的自旋阀的制作步骤。如图3A所示，在真空室中第一铁磁层304沉积在衬底302上。第一铁磁层304可以是用于顶自旋阀的自由层或用于底自旋阀的钉扎层。第一氧喷引入到真空室中，氧分压大约为5×10-6Torr。第一铁磁层304的第一表面305暴露到该富氧氛围中。氧分子被导向衬底302，并且全部打开衬底闸门(图3A中未示出)，以把第一表面305直接暴露到氧气中。本领域普通技术人员会熟悉这些工艺，因为离子束溅射是本领域公知的。结果，氧被物理吸附到第一表面305上。
在如图3B所示，间隔层308被沉积之前，氧分压快速减小到低于10-8Torr。间隔层308新近沉积到第一氧处理的表面306上。在氧处理的表面306上沉积间隔层308大约30秒，得到大约20的厚度。间隔层308具有第二表面309，使用如图3A描述的用氧处理第一表面305相似的方法对其进行氧处理。如图3C所示，第二表面309暴露到大约5×10-6Torr的氧分压中，氧被物理吸附到第二表面309上。
氧分压降到低于10-8Torr以完成自旋阀300之后，第二铁磁层312，即用于顶自旋阀的铁磁钉扎层或用于底自旋阀的铁磁自由层，被新近沉积到第二氧处理的表面310上，如图3D所示。
如图3A-D所描述的自旋阀300的制作方法不需要另外的步骤和额外的时间，以结合氧喷到现有技术的标准自旋阀中。该方法可用于顶和底简单自旋阀，顶和底AP钉扎自旋阀，以及双自旋阀。
实验结果
下面给出一种实例，以示出不同表面的氧暴露以及它如何影响简单顶自旋阀的耦合场Hf。简单自旋阀通常包括NiMnO 30厚的氧化物籽晶层，包含NiFe 45厚的铁磁层和CoFe 15厚的纳米层的自由层，Cu 20厚的间隔层，CoFe 24厚的钉扎层，IrMn 80厚的AF层，Ta 50厚的覆盖层。下面的表1示出了两种简单自旋阀A和B的性能，这两种自旋阀除了氧暴露表面之外，具有如描述的相同的结构。在自旋阀A中，只有对应于图1中的层111的Cu间隔层，按上描述被暴露到氧气中。在自旋阀B中，对应于图1中的表面109和111的CoFe层和Cu间隔层的表面，被用氧处理。
表1
   自旋阀A   自旋阀B
ΔR/R(％)     8.32     8.35
 R(Oh/sq)     20     20
 Hf(Oe)     16     6.5
 Hc(Oe)     4     5
表1的数据表明与只有Cu表面氧暴露相比，当自旋阀的Cu和CoFe表面都暴露到氧中时，耦合场Hr大约为2.5倍小。简单自旋阀B的耦合场Hf在232℃的强烘烤退火中未下降。事实上，自旋阀B，在232℃退火11小时或在270℃退火6小时，维持耦合场在大约8Oe。
如图2-3所示，氧表面处理对AP钉扎PtMn自旋阀性能的影响显示在图4-9中。底AP钉扎PtMn自旋阀通常包括Al2O330厚的第一氧化物籽晶层，NiMnO 30厚的第二氧化物籽晶层，Ta 35厚的金属籽晶层，PtMn 250厚的AF层，CoFe 17厚的第一钉扎次层，Ru8厚的AP钉扎间隔次层，26厚的CoFe第二钉扎次层，Cu20厚的间隔层，包含NiFe 45厚的铁磁层和CoFe 15厚的纳米层的自由层，和Ta 50厚的覆盖层。图4-8是图2描述的该类型的AP钉扎自旋阀的表面粗糙度Ra，耦合场Hf，薄层电阻R，磁阻率ΔR/R，和矫顽场Hf随着氧气流量变化的曲线。图4-8中的自旋阀具有厚度大约为20的间隔层。如图4所示，当第一和第二表面未用氧处理时，表面粗糙度典型大约为2.9。随着氧气流量从零增加到大约2sccm时，表面粗糙度Ra从大约2.9减小到最小值，大约为1.75。在此点后，表面粗糙度Ra随着氧气流量的增加而增加。因此，在氧气流量大约为2sccm时，表面粗糙度减至最小。
如图5所示，未用氧表面处理的AP钉扎自旋阀的薄层电阻典型为大约19 Ohms/sq，随着氧气流量增加该值变化不大。当氧气流量在大约1.5sccm至大约3sccm的范围时，薄层电阻典型地保持恒定。氧气流量大约为2sccm时薄层电阻R典型地大约为19 Ohms/sq。
AP钉扎自旋阀的磁阻率ΔR/R和耦合场Hf的改进分别显示在图6和图7中。当AP自旋阀的第一和第二表面未用氧处理时，磁阻率ΔR/R典型为大约6％，耦合场Hf为大约56Oe。在氧气流量典型为大约0.5sccm时，ΔR/R增加到大约7.6％，耦合场Hr迅速减小到大约17Oe。随着氧气流量从大约0.5sccm增加到大约2.5sccm，耦合场从大约17Oe减小到大约-11Oe，而大约为7.6％的ΔR/R未变。在此点后，随着氧气流量的增加，ΔR/R典型地减小，耦合场Hf典型地增加。氧气流量大约为2sccm时耦合场Hf大约为-9Oe。
在图8中，随着氧气流量从零增加到大约0.5sccm，矫顽场Hc从大约6Oe减小到大约5Oe。此后，随着氧气流量增加矫顽场缓慢增加。氧气流量大约为3.5sccm时，得到的Hc最大值典型大约为7Oe。当氧气流量比3.5sccm大时，耦合场Hc迅速下降到大约2Oe。
图9示出了氧气流量大约为2sccm时，磁阻率ΔR/R，薄层电阻R，耦合场Hf和矫顽场Hc随着间隔层沉积时间变化的曲线。在这种情况中，间隔层由铜做成。如图9所示，随着铜沉积时间从大约25秒增加到大约30秒，耦合场Hf从大约39Oe迅速减小到大约-5Oe。此点之后，随着铜沉积时间增加，耦合场Hf典型地增加。在铜沉积大约30秒后得到Hf的最小值，典型为大约-5Oe。当铜间隔层的沉积在大约25秒至大约34秒之间时，得到大约为19Ohms/sq的薄层电阻R，大约为7.6％的磁阻率ΔR/R，6Oe的矫顽场Hc，为清楚起见，图10示出了图9描述的耦合场Hf和磁阻率ΔR/R的曲线。
关于图1，2和3D描述的类型的自旋阀可结合到如图11所示的GMR读/写头404中。GMR读/写头404包括把自旋阀401做成夹层结构的第一屏蔽403和第二屏蔽409。GMR读/写头404还包括第一屏蔽403和自旋阀401之间的第一间隙405，第二屏蔽409和自旋阀401之间的第二间隙407。利用自旋阀401至少两个铁磁层的磁化方向间的相对角产生的磁阻效应，自旋阀401把磁信号转变为电信号。
图11描述的GMR读/写头可结合到如图12所示的磁盘驱动系统400中。磁盘驱动系统400通常包括磁记录盘402，包含自旋阀401的GMR读/写头404，连接读/写头404的传动器406，连接磁盘402的马达408。马达408相对于读/写头404旋转磁盘402。传动器406移动读/写头404跨越磁记录磁盘402，使得读/写头404可访问磁记录盘402上的磁记录数据的不同区域。
本领域的普通技术人员应当明白在未离开本发明范围的基础上，可在许多方面改变上述实施方案。因此，本发明的范围应由 及其法律上的等价描述确定。

Claims (29)

1.一种自旋阀，包括：
a)具有第一表面的第一铁磁层；
b)第二铁磁层；以及
c)置于第一和第二铁磁层之间的间隔层，该间隔层具有第二表面
其中第一和第二表面的至少一个被用氧处理。
2.如权利要求1的自旋阀，其中第一铁磁层是铁磁自由层。
3.如权利要求2的自旋阀，其中自由层是用从Co，CoFe，CoFeB合金和Co合金的组中选出的一种材料做成的纳米层。
4.如权利要求2的自旋阀，还包括接触自由铁磁层的籽晶层。
5.如权利要求1的自旋阀，其中第二铁磁层是铁磁钉扎层。
6.如权利要求5的自旋阀，其中铁磁钉扎层包括AP钉扎层。
7.如权利要求5的自旋阀，还包括最接近钉扎层的反铁磁层。
8.如权利要求7的自旋阀，还包括邻近反铁磁层的覆盖层。
9.如权利要求1的自旋阀，其中第一铁磁层是铁磁钉扎层。
10.如权利要求9的自旋阀，其中铁磁钉扎层包括AP钉扎层。
11.如权利要求9的自旋阀，其中第二铁磁层是铁磁自由层。
12.如权利要求1的自旋阀，其中间隔层包括从Cu，Au和Cu合金的组中选出的一种材料。
13.如权利要求12的自旋阀，其中铜间隔层的厚度大约为20。
14.如权利要求1的自旋阀，其中氧被物理吸附在第一和第二表面。
15.如权利要求14的自旋阀，其中氧限制了层间的混合。
16.如权利要求14的自旋阀，其中氧表面吸附减小了第一和第二表面的表面粗糙度。
17.如权利要求16的自旋阀，其中第一和第二铁磁层的一个或多个产生负耦合场。
18.如权利要求16的自旋阀，其中第一和第二铁磁层的一个或多个产生正耦合场。
19.如权利要求18的自旋阀，其中耦合场在退火时是稳定的。
20.如权利要求1的自旋阀，其中磁阻率ΔR/R被增强。
21.一种自旋阀的制作方法，包括：
a)提供衬底；
b)在衬底上沉积具有第一表面的第一铁磁层；
c)沉积具有第二表面的间隔层；
d)沉积第二铁磁层，其中间隔层被置于第一和第二铁磁层之间；以及
e)暴露第一和第二表面的一个或多个到氧分压中，然后在沉积随后的层之前降低氧分压。
22.如权利要求21的方法，其中第一和第二表面的一个或多个暴露到大约1×10-7Torr和大约5×10-5Torr之间的氧分压中。
23.如权利要求22的方法，其中氧分压减小到间隔层和第二铁磁层的沉积之前暴露第一和第二表面的步骤中使用的氧分压水平以下。
24.如权利要求23的方法，其中在间隔层沉积之前暴露第一表面到氧分压中。
25.如权利要求23的方法，其中在第二铁磁层沉积之前暴露第二表面到氧中。
26.如权利要求21的方法，其中使用离子束溅射方法沉积第一铁磁，第二铁磁和间隔层。
27.如权利要求21的方法，其中氧分子被导向衬底，并且全部打开衬底闸门，用于第一和第二表面直接暴露到氧气束中。
28.一种GMR读/写头，包括：
a)接触第一间隙的第一屏蔽层；
b)接触第二间隙的第二屏蔽层；
c)置于第一和第二间隙之间的自旋阀；
其中自旋阀包括：
i)具有第一表面的第一铁磁层；
ii)第二铁磁层；以及
iii)置于第一铁磁层和第二铁磁层之间的间隔层，该间隔层具有第二表面
其中第一和第二表面的至少一个被用氧处理。
29.一种磁盘驱动系统，包括：
a)磁记录盘；
b)包含自旋阀的读/写头；
c)用于跨越磁记录盘移动读/写头的传动器；以及
d)用于相对读/写头旋转磁记录盘的马达；
其中自旋阀包括：
i)具有第一表面的第一铁磁层；
ii)第二铁磁层；以及
iii)置于第一铁磁层和第二铁磁层之间的间隔层，该间隔层具有第二表面
其中第一和第二表面的至少一个被用氧处理。
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