DE102016005190A1

DE102016005190A1 - Magnetische Tunnelwiderstandsvorrichtung (TMR) mit Magnesiumoxid-Tunnelsperrschicht und freier Schicht mit Einfügungsschicht

Info

Publication number: DE102016005190A1
Application number: DE102016005190.6A
Authority: DE
Inventors: Sangmun Oh; Zheng Gao
Original assignee: HGST Netherlands BV
Current assignee: Western Digital Technologies Inc
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2016-11-03
Also published as: US9177573B1; IE20160113A1; GB2537999A; CN106098083A; GB2537999B; CN106098083B

Abstract

Eine magnetische Tunnelwiderstandsvorrichtung (Tunneling Magnetoresistance – TMR) weist eine dünne MgO-Tunnelsperrschicht und eine freie ferromagnetische Mehrschicht auf. Die freie ferromagnetische Mehrschicht weist eine erste ferromagnetische CoFeB-Schicht, eine kubisch flächenzentrierte (face-centered-cubic-fcc) NiFe-Kompensationsschicht mit negativer Magnetostriktion und eine kubisch raumzentrierte (body-centered-cubic – bcc) NiFe-Einfügungsschicht zwischen der CoFeB-Schicht und der fcc NiFe-Kompensationsschicht auf. Eine wahlfreie ferromagnetische Nanoschicht kann sich zwischen der MgO-Sperrschicht und der CoFeB-Schicht befinden. Eine wahlfreie amorphe Trennschicht kann sich zwischen der CoFeB-Schicht und der bcc NiFe-Einfügungsschicht befinden. Die bcc NiFe-Einfügungsschicht (und die wahlfreie amorphe Trennschicht, wenn sie verwendet wird) verhindert, dass die fcc NiFe-Schicht die kristalline Bildung der MgO- und CoFeB-Schichten während des Temperns negativ beeinträchtigt. Die bcc NiFe-Einfügungsschicht erhöht auch der TMR und senkt die Gilben-Dämpfungskonstante der freien ferromagnetischen Mehrschicht.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein magnetische Tunnelwiderstandsvorrichtungen (Tunneling Magnetoresistance – TMR) und insbesondere einen TMR-Lesekopf mit einer Tunnelsperrschicht aus Magnesiumoxid (MgO).
Beschreibung des Standes der Technik
Eine magnetische Tunnelwiderstandsvorrichtung (Tunneling Magnetoresistance – TMR), die auch als magnetische Tunnelübergangsvorrichtung (Magnetic Tunneling Junction – MTJ) bezeichnet wird, besteht aus zwei ferromagnetischen Schichten, die durch eine dünne isolierende Tunnelsperrschicht (Tunnelbarriereschicht) getrennt sind. Die Sperrschicht ist typischerweise aus einem Metalloxid hergestellt, das derart ausreichend dünn ist, dass ein quantenmechanisches Tunneln von Ladungsträgern zwischen den zwei ferromagnetischen Schichten auftritt. Obgleich viele Metalloxide, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Titanoxid (TiO₂), als Tunnelsperrschichtmaterial vorgeschlagen wurden, ist das vielversprechendste Material kristallines Magnesiumoxid (MgO). Das quantenmechanische Tunnelverfahren ist elektronenspinabhängig, was bedeutet, dass ein elektrischer Widerstand, der gemessen wird, wenn ein Abtaststrom durch den Übergang angelegt wird, abhängig von den spinabhängigen elektronischen Eigenschaften der ferromagnetischen und Sperrschichten ist und eine Funktion der relativen Ausrichtung der Magnetisierungen der zwei ferromagnetischen Schichten ist. Die Magnetisierung von einer der ferromagnetischen Schichten, die die Bezugsschicht genannt wird, ist fest oder gepinnt, während die Magnetisierung der anderen ferromagnetischen Schicht, die die freie Schicht genannt wird, sich als Reaktion auf äußere Magnetfelder frei drehen kann. Die relative Ausrichtung ihrer Magnetisierungen variiert mit dem externen Magnetfeld, was somit in einer Änderung beim elektrischen Widerstand resultiert. Die TMR-Vorrichtung kann als eine Speicherzelle in einer nichtflüchtigen Magnetspeicheranordnung mit wahlfreiem Zugriff (Magnetic Random Access Memory – MRAM) und als ein TMR-Lesekopf in einer magnetischen Speicherplatte verwendet werden.
1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen TMR-Lesekopfs 10. Der TMR-Lesekopf 10 weist eine untere ”feste” oder ”gepinnte” ferromagnetische (FM) Bezugsschicht 18, eine isolierende Tunnelsperrschicht 20 und eine obere ”freie” FM Schicht 32 auf. Der TMR-Lesekopf 10 weist untere und obere nichtmagnetische Elektroden oder Leitungen 12 beziehungsweise 14 auf, wobei die untere nichtmagnetische Elektrode 12 auf einem zweckmäßigen Substrat gebildet ist. Die FM Schicht 18 wird Bezugsschicht genannt, da verhindert wird, dass sich ihre Magnetisierung beim Vorhandensein eines angelegten Magnetfeldes im gewünschten Bereich von Interesse für die TMR-Vorrichtung, d. h. das Magnetfeld von einem aufgezeichneten Bereich der Magnetschicht in einer magnetischen Speicherplatte, dreht. Die Magnetisierung der FM Bezugsschicht 18 kann fest oder gepinnt sein, indem sie aus einer dünnen Schicht mit hoher Koerzitivkraft gebildet wird oder an eine antiferromagnetische (AF) ”Pinning”-Schicht austauschgekoppelt wird. Die FM Bezugsschicht 18 kann Teil einer antiparallelen (AP) gepinnten oder Flussabschlussstruktur sein, wo zwei ferromagnetische Schichten durch eine antiparallele Kopplungsabstandsschicht (Antiparallel Coupling – APC) getrennt sind und somit antiparallel gekoppelt sind, um einen Flussabschluss zu bilden, wie in US 5,465,185 beschrieben. Die Magnetisierung der freien FM Schicht 32 kann sich beim Vorhandensein eines angelegten Magnetfelds im Bereich von Interesse frei drehen. Beim Nichtvorhandensein des angewandten Magnetfelds sind die Magnetisierungen der FM Schichten 18 und 32 allgemein senkrecht im TMR-Lesekopf 10 ausgerichtet. Die relative Ausrichtung der Magnetisierungen der FM Schichten 18, 32 bestimmt den elektrischen Widerstand der TMR-Vorrichtung.
TMR-Vorrichtungen mit MgO-Tunnelbarrieren, wie beispielsweise CoFe/MgO/CoFe-Vorrichtungen, weisen aufgrund des kohärenten Tunnelns der Elektronen mit einer gewissen Symmetrie einen sehr hohen magnetischen Widerstand auf. Es sind indes MgO-Tunnelübergänge erforderlich, um (001) Epitaxie und perfekte Kristallinität aufzuweisen. Die MgO-Sperrschicht wird typischerweise durch Sputtern und anschließendes Tempern gebildet, wodurch die kristalline Struktur gebildet wird. Es wurde herausgefunden, dass, wenn Bor (B) in einer oder mehreren von den Bezugs- und freien ferromagnetischen Schichten verwendet wird, nach dem Tempern ein höherer magnetischer Tunnelwiderstand (ΔR/R oder TMR) beobachtet wird. Es ist bekannt, dass die amorphe CoFeB-Schicht eine Kristallisierung des MgO mit hoher Qualität in die (001) Richtung und somit einen höheren TMR fördert.
In einem TMR-Lesekopf sollte die freie ferromagnetische Schicht einen hohen TMR und eine niedrige Magnetostriktion erzeugen. Die freie Schicht besteht typischerweise aus einer Mehrschicht, die eine erste ferromagnetische Schicht, wie beispielsweise CoFe oder CoFeB, in der Nähe der MgO-Sperrschicht aufweist, die typischerweise eine hohe Spinpolarisierung aber auch eine hohe positive Magnetostriktion aufweist. Um dies zu kompensieren, weist die freie Mehrschicht eine relativ dicke Schicht aus NiFe-Legierung mit negativer Magnetostriktion und niedrigem Fe-Gehalt, typischerweise weniger als etwa 15 Atomprozent (At.-%), als eine zweite ferromagnetische Schicht auf. Die zweite NiFe-Schicht mit niedrigem Fe-Gehalt weist indes eine kubisch flächenzentrierte (fcc) kristalline Struktur auf, was die epitaktische Beziehung zwischen der MgO-Sperre und der ersten freien Schicht nach dem Tempern zerstört. Dies führt zu einem niedrigen TMR. Zum Abschwächen dieses Problems können amorphe Trennschichten, wie beispielsweise Ta, zwischen der ersten und der zweiten Schicht gebildet werden. Es wurden auch ferromagnetische amorphe Trennschichten, wie beispielsweise CoFeBTa, vorgeschlagen, wie in US 8,427,791 B2 beschrieben, die an denselben Zessionar übertragen ist wie diese Anmeldung. Diese amorphen Trennschichten können indes in einer freien Schicht mit einer hohen Gilbert-Dämpfungskonstante resultieren (der Parameter α, der ein dimensionsloser Koeffizient in der gut bekannten Landau-Lifschitz-Gilben-Gleichung ist). Hohes Dämpfen resultiert in hohem thermisch induziertem magnetischen Rauschen (das manchmal auch ”Mag-noise” genannt wird). Der Effekt von thermischen Anregungen auf die freie Schicht wird immer größer, wenn das Volumen der freien Schicht (und somit ihre magnetische Energie) verringert wird. Da magnetisches Rauschen auch proportional zum TMR-Signal ist, ist, wenn der TMR groß ist, dann das magnetische Rauschen die dominante Rauschquelle in der TMR-Vorrichtung und wird somit das erreichbare Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio – SNR) begrenzen. So ist es wünschenswert, TMR-Vorrichtungen mit niedriger Dämpfung zu gestalten, derart, dass das magnetische Rauschen unterdrückt wird.
Benötigt wird eine TMR-Vorrichtung mit hohem TMR, die eine MgO-Sperrschicht und eine freie Schicht mit niedriger Magnetostriktion und niedriger Dämpfung aufweist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen dieser Erfindung betreffen eine TMR-Vorrichtung mit einer dünnen MgO-Tunnelsperrschicht (Tunnelbarriereschicht) und einer freien ferromagnetischen Mehrschicht. Die freie ferromagnetische Mehrschicht weist eine erste ferromagnetische CoFeB-Schicht, eine im Wesentlichen kubisch flächenzentrierte (face-centered-cubic-fcc) NiFe-Kompensationsschicht mit niedrigem Fe-Gehalt mit negativer Magnetostriktion und eine im Wesentlichen kubisch raumzentrierte (body-centered-cubic – bcc) NiFe-Einfügungsschicht mit hohem Fe-Gehalt zwischen der ersten ferromagnetischen CoFeB-Schicht und der fcc NiFe-Kompensationsschicht auf. Eine wahlfreie Co-, Fe- oder CoFe-Nanoschicht kann sich zwischen der MgO-Sperrschicht und der ersten ferromagnetischen CoFeB-Schicht befinden. Eine wahlfreie amorphe Trennschicht, wie beispielsweise Ta, CoFeBTa oder CoHf, kann sich zwischen der ersten ferromagnetischen CoFeB-Schicht und der bcc NiFe-Einfügungsschicht befinden. Die bcc NiFe-Einfügungsschicht (und die wahlfreie amorphe Trennschicht, wenn sie verwendet wird) verhindert, dass die fcc NiFe-Schicht die (001) kristalline Bildung der MgO- und CoFeB-Schichten während des Temperns negativ beeinträchtigt. Die bcc NiFe-Einfügungsschicht erhöht auch den TMR und senkt die Gilbert-Dämpfungskonstante der freien ferromagnetischen Mehrschicht; die Magnetostriktion der freien Schicht kann indes zunehmen.
Ein vollständigeres Verständnis der Beschaffenheit und der Vorteile der vorliegenden Erfindung geht aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Struktur eines herkömmlichen magnetischen Tunnelwiderstand-Lesekopfs (TMR-Lesekopfs) veranschaulicht.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die detaillierte Struktur eines TMR-Lesekopfs des Standes der Technik veranschaulicht.
3 ist eine schematische Schnittsansicht, die eine typische Struktur aus Bezugsschicht/MgO/freier Schicht in einem TMR-Lesekopf des Standes der Technik veranschaulicht.
4 ist eine schematische Schnittsansicht, die eine Struktur aus Bezugsschicht/MgO/freier Schicht in einem TMR-Lesekopf mit einer kubisch flächenzentrierten (fcc) Einfügungsschicht aus NiFe-Legierung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
5 ist ein Säulendiagramm, das die Gilben-Dümpfungskonstanten-Strukturen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit Strukturen ohne bcc NiFe-Einfügungsschicht aber mit mehreren amorphen Trennschichten vergleicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
2 ist eine sehr schematische Ansicht eines Querschnitts, die die Struktur des TMR-Lesekopfs 100 des Standes der Technik, wie denjenigen veranschaulicht, der in einer magnetischen Speicherplatte verwendet wird. Diese Querschnittsansicht ist eine Ansicht davon, was allgemein als die Luftlagerfläche (Air-Bearing Surface – ABS) des TMR-Lesekopfs 100 bezeichnet wird. Der TMR-Lesekopf 100 weist einen Sensorstapel aus Schichten auf, die zwischen zwei ferromagnetischen Schutzschichten S1, S2 gebildet sind, die typischerweise aus galvanisch aufgebrachten dünnen Schichten aus NiFe-Legierung hergestellt sind. Die untere Schutzschicht S1 ist typischerweise durch chemisch mechanisches Polieren (CMP) geglättet, um eine glatte Oberfläche für das Wachstum des Sensorstapels bereitzustellen. Der Sensorstapel weist eine ferromagnetische Bezugsschicht 120, die eine gepinnte Magnetisierung 121 aufweist, die quer (weg von der Seite) ausgerichtet ist, eine ferromagnetische freie Schicht 110, die eine Magnetisierung 111 aufweist, die sich in der Ebene der Schicht 110 als Reaktion auf externe Magnetfelder in Querrichtung von einer Speicherplatte drehen kann, und eine elektrisch isolierende Tunnelsperrschicht 130, typischerweise Magnesiumoxid (MgO), zwischen der ferromagnetischen Bezugsschicht 120 und der freien ferromagnetischen Schicht 110 auf. Im Ruhezustand, d. h. bei Nichtvorhandensein eines angelegten Feldes von der Speicherplatte, ist die Magnetisierung 111 der freien Schicht 110 orthogonal zur Magnetisierung 121 der Bezugsschicht 120 ausgerichtet.
Die Bezugsschicht 120 kann eine herkömmliche ”einfache” oder einzelne gepinnte Schicht sein, deren Magnetisierungsrichtung 121 gepinnt oder fest ist, typischerweise, indem sie an eine antiferromagnetische Schicht austauschgekoppelt ist. In dem Beispiel von 2 ist die Bezugsschicht 120 indes Teil der gut bekannten antiparallelen (AP) gepinnten oder Flussabschlussstruktur, die auch eine ”laminierte” gepinnte Schicht genannt wird, wie in der US-Patentschrift 5,465,185 beschrieben. Die antiparallele gepinnte Struktur minimiert die magnetostatische Kopplung der Bezugsschicht 120 mit der freien Schicht 110. Die antiparallele gepinnte Struktur weist die ferromagnetische Bezugsschicht (AP2) 120 und eine untere gepinnte ferromagnetische (AP1) Schicht 122 auf, die über eine AP Kopplungsschicht (APC-Schicht) 123 hinweg, wie beispielsweise Ru, Ir, Rh oder Cr oder Legierungen davon antiferromagnetisch gekoppelt sind. Aufgrund der antiparallelen Kopplung durch die APC-Schicht 123 weisen die ferromagnetische Bezugs(AP2)- und gepinnte (AP1)-Schicht 120, 122 ihre entsprechenden Magnetisierungen 121, 127 antiparallel zueinander ausgerichtet auf. Folglich ist die Nettomagnetisierung der ferromagnetischen AP2- und AP1-Schichten 120, 122 so gering, dass ein Entmagnetisierungsfeld, das durch die Flussabschlussstruktur in der ferromagnetischen freien Schicht 110 induziert wird, im Wesentlichen minimiert wird, und so wird es machbar, dass der TMR-Lesekopf optimal arbeitet.
Zwischen der unteren Schutzschicht S1 und der AP gepinnten Struktur befinden sich die Keimschicht 125 und eine antiferromagnetische (AF) Pinning-Schicht 124. Die Keimschicht 125 erleichtert der AF Pinning-Schicht 124 das Wachsen einer Mikrostruktur mit einer starken kristallinen Textur und so die Entwicklung eines starken Antiferromagnetismus.
Die Keimschicht 125 kann eine einzelne Schicht oder mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien sein. Die AF Pinning-Schicht 124 ist somit stark an die ferromagnetische gepinnte Schicht 122 austauschgekoppelt und pinnt die Magnetisierung 127 der ferromagnetischen gepinnten Schicht 122 dadurch starr in eine Richtung senkrecht zu und weg von der ABS. Die antiparallele Kopplung über die APC-Schicht 123 hinweg pinnt dann anschließend die Magnetisierung 121 der ferromagnetischen Bezugsschicht 120 in eine Richtung senkrecht zu und in Richtung der ABS und antiparallel zur Magnetisierung 127. Folglich wird die Nettomagnetisierung der ferromagnetischen AP2- und AP1-Schichten 120, 122 starr gepinnt und so wird der optimale Betrieb des TMR-Lesekopfs gewährleistet. Anstatt durch eine AF Schicht gepinnt zu werden, kann die AP1-Schicht 122 selbst eine hartmagnetische Schicht sein oder ihre Magnetisierung 127 durch eine hartmagnetische Schicht gepinnt haben, wie beispielsweise Co_100-xPt_x oder Co_100-x-yPt_xCr_y (wo x zwischen etwa 8 und 30 Atomprozent liegt). Die AP gepinnte Struktur kann auch ”selbstgepinnt” sein. In einem ”selbstgepinnten” Sensor sind die AP1- und AP2-Schichtmagnetisierungsrichtungen 127, 121 typischerweise im Allgemeinen durch Magnetostriktion und die Restspannung, die innerhalb des hergestellten Sensors vorhanden ist, senkrecht zur Plattenfläche.
Zwischen der ferromagnetischen freien Schicht 110 und der oberen Schutzschicht S2 befindet sich eine Schicht 112, die manchmal auch als Deckschicht bezeichnet wird. Die Schicht 112 schützt die ferromagnetische freie Schicht 110 vor chemischen und mechanischen Schäden während der Verarbeitung, derart, dass die ferromagnetische freie Schicht 110 gute ferromagnetische Eigenschaften bewahrt.
Beim Vorhandensein externer Magnetfelder im Bereich von Interesse, d. h. Magnetfeldern von geschriebenen Daten auf der Speicherplatte, während die Nettomagnetisierung der ferromagnetischen Schichten 120, 122 starr gepinnt bleibt, wird sich die Magnetisierung 111 der ferromagnetischen freien Schicht 110 als Reaktion auf die Magnetfelder drehen. Wenn somit ein Abtaststrom I_S von der oberen Schutzschicht S2 senkrecht durch den Sensorstapel zur unteren Schutzschicht S1 fließt, wird die Magnetisierungsdrehung der ferromagnetischen freien Schicht 111 zur Änderung des Winkels zwischen den Magnetisierungen der ferromagnetischen Bezugsschicht 120 und der ferromagnetischen freien Schicht 110 führen, was als eine Änderung des elektrischen Widerstandes ermittelt werden kann. Da der Abtaststrom senkrecht durch den Stapel von Schichten zwischen den zwei Schutzschichten S1 und S2 gerichtet wird, ist der TMR-Lesekopf 100 ein Current-Perpendicular-to-the-Plane(CPP – Strom senkrecht zur Ebene)-Lesekopf.
2 zeigt auch wahlweise getrennte elektrische Leitungen 126, 113 zwischen den Schutzschichten S1 beziehungsweise S2 und dem Sensorstapel. Die Leitungen 126, 113 können aus Ta, Ti, Ru, Rh oder einer Mehrschicht daraus gebildet sein. Die Leitungen sind wahlfrei und können verwendet werden, um den Abstand von Schutzschicht zu Schutzschicht einzustellen. Wenn die Leitungen 126 und 113 nicht vorhanden sind, werden die untere Schutzschicht und die obere Schutzschicht S1 und S2 als elektrische Leitungen verwendet. Die ferromagnetischen Bezugs- und freien Schichten 120 und 110 sind typischerweise aus einer CoFe-, CoFeB- oder NiFe-Schicht gebildet oder aus mehreren Schichten gebildet, die diese dünnen Schichten aufweisen, während die ferromagnetische gepinnte Schicht 122 typischerweise aus CoFe-Legierungen gebildet ist. Die Keimschicht 125 ist typischerweise aus mehreren Schichten gebildet, die dünne Ta/NiFeCr/NiFe-, Ta/NiFe-, Ta/Ru- oder Ta/Cu-Schichten aufweisen. Die AFM Pinning-Schicht 124 ist typischerweise aus einer dünnen FeMn-, NiMn-, PtMn-, IrMn-, PdMn-, PtPdMn- oder RhMn-Schicht hergestellt. Die Deckschicht 112 ist typischerweise aus Ru, Rh, Ti, Ta oder einer Mehrschicht daraus hergestellt.
Obgleich der TMR-Lesekopf 100, der in 2 gezeigt ist, ein ”unten gepinnter” Lesekopf ist, da die AP gepinnte Struktur unter der freien Schicht 110 ist, kann die freie Schicht 110 sich unter der AP gepinnten Struktur befinden. In einer solchen Anordnung sind die Schichten der AP gepinnten Struktur umgekehrt, mit der AP2-Schicht 120 darauf und in Kontakt mit der Sperrschicht 130.
Es sind MgO-Tunnelübergänge erforderlich, um (001) Epitaxie und perfekte Kristallinität aufzuweisen. Die MgO-Sperrschicht wird typischerweise durch Sputtern und anschließendes Tempern gebildet, wodurch die kristalline Struktur gebildet wird. Es wurde festgestellt, dass die Verwendung eines dünnen amorphen CoFeB in einer von der Bezugs- und der freien Schicht oder in beiden einen höheren magnetischen Tunnelwiderstand (ΔR/R oder TMR) ergibt. Es ist bekannt, dass die amorphe CoFeB-Schicht im aufgebrachten Zustand eine Kristallisierung des MgO mit hoher Qualität in die (001) Richtung und somit nach dem Tempern einen höheren TMR fördert. Somit ist 3 eine schematische Veranschaulichung einer typischen Struktur aus Bezugsschicht/MgO/freier Schicht gemäß dem Stand der Technik. Die gezeigte Struktur aus Bezugsschicht/MgO/freier Schicht befindet sich zwischen den herkömmlichen Schutzschichten S1 und S2 und weist die herkömmliche antiferromagnetische (AF) Schicht und Keimschicht unter der Bezugsschicht und eine herkömmliche Deckschicht über der freien Schicht auf. Die Gesamtdicke von jeder von der Bezugsschicht und der freien Schicht beträgt typischerweise zwischen etwa 20 und 80 Å. Die freie ferromagnetische Schicht ist als eine Mehrschicht aus einer dünnen (z. B. mit einer Dicke zwischen etwa 1 und 10 Å), wahlfreien CoFe-”Nanoschicht”, der MgO-Sperrschicht benachbart, einer CoFeB-Schicht mit einer Dicke zwischen etwa 5 bis 40 Å, einer im Wesentlichen kubisch flächenzentrierten (fcc) NiFe-Schicht mit einer Dicke zwischen etwa 20 und 100 Å und einer wahlfreien amorphen Trennschicht (z. B. einer Ta-, Zr-, Hf-, CoHf- oder CoFeBTa-Schicht) mit einer Dicke zwischen etwa 5 bis 40 Å zwischen der CoFeB-Schicht und der fcc NiFe-Schicht bildlich dargestellt. Die CoFe-Nanoschicht und CoFeB-Schicht weisen eine positive Magnetostriktion auf; die fcc NiFe-Schicht weist indes eine negative Magnetostriktion auf und kann somit als eine Kompensationsschicht betrachtet werden, die die positive Magnetostriktion kompensiert. Die fcc NiFe-Kompensationsschicht weist eine im Wesentlichen fcc kristalline Struktur auf. Da die fcc NiFe-Schicht die epitaktische Beziehung zwischen der MgO-Sperre und der CoFe-Nanoschicht und der CoFeB-Schicht nach dem Tempern negativ beeinträchtigen und somit den TMR verringern kann, kann die amorphe Trennschicht verwendet werden, um die fcc NiFe-Schicht von der CoFe-Nanoschicht und der CoFeB-Schicht zu trennen.
In Ausführungsformen dieser Erfindung befindet sich eine im Wesentlichen kubisch raumzentrierte (body-centered-cubic – bcc) NiFe-Einfügungsschicht zwischen der fcc NiFe-Kompensationsschicht und der CoFeB-Schicht (oder der wahlfreien amorphen Trennschicht, wenn eine verwendet wird). Die bcc NiFe-Einfügungsschicht weist eine im Wesentlichen bcc kristalline Struktur auf. Typischerweise weist bcc NiFe eine Fe-Zusammensetzung auf, die größer oder gleich 40 At.-% ist. Die bcc NiFe-Schicht weist einen relativ hohen Fe-Gehalt auf (gleich oder größer als 40 At.-%), im Vergleich zum Fe-Gehalt der fcc NiFe-Kompensationsschicht, der typischerweise kleiner oder gleich 15 At.-% ist. Die bcc NiFe-Einfügungsschicht verringert die Gilbert-Dämpfungskonstante und verbessert auch das MR-Verhältnis, aber auch die Magnetostriktion nimmt zu.
In der Schnittsansicht von 4 ist eine Ausführungsform bildlich dargestellt. Die gezeigte Struktur aus Bezugsschicht/MgO/freier Schicht befindet sich zwischen den herkömmlichen Schutzschichten S1 und S2 und weist die herkömmliche antiferromagnetische (AF) Schicht und Keimschicht unter der Bezugsschicht und eine herkömmliche Deckschicht über der freien Schicht auf. Die Bezugsschicht kann aus einer CoFe-, CoFeB- oder NiFe-Schicht (oder Mehrschichten aus diesen Materialien) gebildet sein und kann eine einfache gepinnte Bezugsschicht oder die AP2-Schicht einer AP gepinnten Struktur sein, die beide vorhergehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben sind. Die MgO-Tunnelbarriereschicht weist eine typische Dicke von zwischen etwa 7 und 15 Å auf. Die wahlfreie CoFe-Legierungsnanoschicht weist einen Fe-Gehalt zwischen etwa 20 bis 80 At.-% und eine Dicke zwischen etwa 1 und 10 Å auf. Eine Co- oder Fe-Nanoschicht kann als eine Alternative zur CoFe-Nanoschicht verwendet werden. Die CoFeB-Legierungsschicht weist eine typische Zusammensetzung von (Co_xFe_(100-x))_(100-y)B_y auf, wobei die tiefgestellten Indizes At.-% darstellen, x größer oder gleich 60 und kleiner als 100 ist, und y zwischen etwa 10 und 20 liegt. Die wahlfreie Trennschicht kann eine amorphe Ta-, Zr-, Hf- oder CoFeBTa-Legierungsschicht oder eine amorphe CoHf-Legierungsschicht mit einer Dicke zwischen etwa 1 und 30 Å und einem Hf-Gehalt zwischen etwa 10 und 30 At.-% sein. Die fcc NiFe-Schicht kann eine Dicke zwischen etwa 10 und 60 Å und einen niedrigen Fe-Gehalt zwischen etwa 2 und 15 At.-% aufweisen. In Ausführungsformen dieser Erfindung weist die bcc NiFe-Schicht eine Dicke zwischen etwa 2 und 20 Å mit einem Fe-Gehalt von höher oder gleich 40 At.-%, vorzugsweise zwischen etwa 40 bis 55 At.-%, auf.
Der vorhergehend beschriebene und in 4 gezeigte TMR-Lesekopf wird auf herkömmliche Art und Weise durch Abscheidung der Schichten in dem Sensorstapel durch Sputtern oder andere bekannte Dünnschicht-Abscheidungstechniken hergestellt. Die Struktur wird dann beim Vorhandensein eines angewendeten Magnetfelds zum Einstellen der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Bezugsschicht getempert. Das Tempern erfolgt typischerweise bei etwa 250 bis 290°C während etwa 4 bis 24 Stunden. Das Tempern bildet auch die MgO-Sperrschicht mit der gewünschten Kristallinität. Die bcc NiFe-Einfügungsschicht (und die wahlfreie Trennschicht, wenn sie verwendet wird) verhindert, dass die fcc NiFe-Schicht die (001) kristalline Bildung der MgO- und CoFeB-Schichten negativ beeinträchtigt. Nach dem Abscheiden und Tempern der dünnen Schichten wird der Stapel lithografisch strukturiert und geätzt, um die gewünschten Abmessungen für den Lesekopf zu definieren.
Es wurde auch festgestellt, dass die bcc NiFe-Schicht den TMR erhöht. Für eine Struktur wie die in 4 gezeigte mit einer amorphen Trennung der bcc NiFe-Einfügungsschicht, wurde festgestellt, dass die Verbesserung des TMR zwischen 2 bis 10% betrug.
Es wurde auch festgestellt, dass die bcc NiFe-Schicht die Gilbert-Dämpfungskonstante senkt. Dies ist im Säulendiagramm von 5 gezeigt, das eine Struktur wie die in 4 mit verschiedenen bcc NiFe-Einfügungsschichten mit einer Struktur ohne bcc NiFe-Einfügungsschicht aber mit mehreren amorphen Trennschichten (CoFeBTa und CoHf) vergleicht. Die Struktur mit einer bcc NiFe-Einfügungsschicht weist eine Dämpfungskonstante von etwa 0.012 auf, während die Strukturen mit lediglich amorphen Trennschichten Dämpfungskonstanten von etwa 0.015 bis 0.025 aufweisen. Besonders erwähnenswert ist, dass die Struktur mit lediglich der CoHf-Trennschicht eine Dämpfungskonstante von etwa 0.024 aufweist. Wenn die bcc NiFe-Einfügungsschicht zu dieser Struktur hinzugefügt wird, verringert sich die Dämpfungskonstante dramatisch auf 0.012.
Obgleich die vorliegende Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen an der Form und den Details vorgenommen werden können, ohne den Erfindungsgedanken und den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Folglich ist die offenbarte Erfindung lediglich als veranschaulichend und ihr Schutzbereich als nur durch die Angaben in den beigefügten Ansprüchen begrenzt zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5465185 [0003, 0015]
US 8427791 B2 [0005]

Claims

Magnetische Tunnelwiderstandsvorrichtung (Tunneling Magnetoresistive – TMR), die Folgendes aufweist: ein Substrat; eine ferromagnetische Bezugsschicht auf dem Substrat; eine Tunnelsperrschicht, die im Wesentlichen aus MgO besteht, auf der ferromagnetischen Bezugsschicht; und eine freie ferromagnetische Mehrschicht, die eine erste ferromagnetische Schicht auf der Tunnelsperrschicht, eine zweite ferromagnetische Schicht mit negativer Magnetostriktion und zwischen der ersten und der zweiten ferromagnetischen Schicht der freien Mehrschicht eine ferromagnetische Einfügungsschicht aus Nickel-Eisen-Legierung (NiFe-Legierung) mit im Wesentlichen kubisch raumzentrierter (body-centered-cubic – bcc) kristalliner Struktur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Schicht von der freien Mehrschicht eine NiFe-Legierungsschicht ist, die eine im Wesentlichen kubisch flächenzentrierte (face-centered-cubic-fcc) kristalline Struktur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die fcc NiFe-Legierungsschicht Fe in einer Menge enthält, die kleiner oder gleich 15 Atomprozent ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ferromagnetische Einfügungsschicht Fe in einer Menge von größer oder gleich 40 Atomprozent enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die ferromagnetische Einfügungsschicht Fe in einer Menge von größer oder gleich 40 Atomprozent und kleiner oder gleich 55 Atomprozent enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht von der freien Mehrschicht eine CoFeB-Legierungsschicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine ferromagnetische Nanoschicht zwischen der Sperrschicht und der ersten Schicht aufweist und von Co, Fe und einer Legierung ausgewählt ist, die aus Co und Fe besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine amorphe Trennschicht zwischen der ersten Schicht von der freien Mehrschicht und der ferromagnetischen Einfügungsschicht aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die amorphe Trennschicht von Ta, Zr, Hf, einer CoFeBTa-Legierung und einer CoHf-Legierung ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bezugsschicht Teil einer antiparallelen (AP) gepinnten Struktur ist, die eine erste AP gepinnte (AP1) ferromagnetische Schicht, die eine Magnetisierungsrichtung in der Ebene aufweist, eine zweite AP gepinnte (AP2) ferromagnetische Schicht, die der Tunnelsperrschicht benachbart ist und eine Magnetisierungsrichtung in der Ebene im Wesentlichen antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der AP1-Schicht aufweist, und eine AP Kopplungsschicht (APC-Schicht) zwischen und in Berührung mit der AP1- und der AP2-Schicht aufweist, wobei die Bezugsschicht die AP2-Schicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner eine antiferromagnetische Schicht, die an die AP1-Schicht austauschgekoppelt ist, zum Pinnen der Magnetisierungsrichtung der AP1-Schicht aufweist.
Magnetischer Tunnelwiderstands-Lesekopf (TMR-Lesekopf) der Folgendes aufweist: eine erste Schutzschicht aus magnetisch permeablem Material; eine ferromagnetische Bezugsschicht auf der ersten Schutzschicht mit einer Magnetisierungsrichtung in der Ebene, deren Drehung beim Vorhandensein eines externen Magnetfelds im Wesentlichen verhindert wird; eine elektrisch isolierende Tunnelsperrschicht, die im Wesentlichen aus MgO besteht, auf und in Kontakt mit der Bezugsschicht; eine freie ferromagnetische Mehrschicht auf der Tunnelsperrschicht mit einer Magnetisierungsrichtung in der Ebene, die bei Nichtvorhandensein eines externen Magnetfelds im Wesentlichen orthogonal zur Magnetisierungsrichtung der Bezugsschicht ist, wobei die freie ferromagnetische Mehrschicht eine erste ferromagnetische Schicht auf der Tunnelsperrschicht, eine ferromagnetische Kompensationsschicht aus einer Nickel-Eisen-Legierung (NiFe-Legierung) mit einem Fe-Gehalt von kleiner oder gleich 15 Atomprozent, und zwischen der ersten ferromagnetischen Schicht und der ferromagnetischen Kompensationsschicht eine ferromagnetische NiFe-Einfügungsschicht mit einem Fe-Gehalt von gleich oder größer als 40 Atomprozent aufweist; eine Deckschicht auf der freien ferromagnetischen Mehrschicht; und eine zweite Schutzschicht aus magnetisch permeablem Material auf der Deckschicht.
Lesekopf nach Anspruch 12, wobei die NiFe-Legierungskompensationsschicht eine im Wesentlichen kubisch flächenzentrierte (face-centered-cubic – fcc) kristalline Struktur aufweist und die NiFe-Legierungseinfügungsschicht eine im Wesentlichen kubisch raumzentrierte (body-centered-cubic – bcc) kristalline Struktur aufweist.
Lesekopf nach Anspruch 12, wobei die erste Schicht von der freien Mehrschicht eine CoFeB-Legierungsschicht ist.
Lesekopf nach Anspruch 12, der ferner eine ferromagnetische Nanoschicht zwischen der Sperrschicht und der ersten Schicht aufweist und von Co, Fe und einer Legierung ausgewählt ist, die aus Co und Fe besteht.
Lesekopf nach Anspruch 12, der ferner eine Trennschicht, die aus Co und Hf besteht, zwischen der ersten Schicht von der freien Mehrschicht und der NiFe-Legierungseinfügungsschicht aufweist.
Lesekopf nach Anspruch 12, der ferner Folgendes aufweist: eine antiparallele (AP) gepinnte Struktur zwischen der ersten Schutzschicht und der Sperrschicht und die eine erste AP gepinnte (AP1) ferromagnetische Schicht auf der ersten Schutzschicht und die eine Magnetisierungsrichtung in der Ebene aufweist, eine zweite AP gepinnte (AP2) ferromagnetische Schicht, die eine Magnetisierungsrichtung in der Ebene im Wesentlichen antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der AP1 aufweist, und eine AP Kopplungsschicht (APC-Schicht) zwischen und in Berührung mit der AP1- und AP2-Schicht aufweist und wobei die Bezugsschicht die AP2-Schicht ist; und eine antiferromagnetische Schicht, die an die AP1-Schicht austauschgekoppelt ist, zum Pinnen der Magnetisierungsrichtung der AP1-Schicht.
Magnetischer Tunnelwiderstands-Lesekopf (TMR-Lesekopf), der Folgendes aufweist: eine erste Schutzschicht aus magnetisch permeablem Material; eine ferromagnetische Bezugsschicht auf der ersten Schutzschicht mit einer Magnetisierungsrichtung in der Ebene, deren Drehung beim Vorhandensein eines externen Magnetfelds im Wesentlichen verhindert wird; eine elektrisch isolierende Tunnelsperrschicht, die im Wesentlichen aus MgO besteht, auf und in Kontakt mit der Bezugsschicht; eine freie ferromagnetische Mehrschicht auf der Tunnelsperrschicht mit einer Magnetisierungsrichtung in der Ebene, die bei Nichtvorhandensein eines externen Magnetfelds im Wesentlichen orthogonal zu der Magnetisierungsrichtung der Bezugsschicht ist, wobei die freie ferromagnetische Mehrschicht Folgendes aufweist: eine CoFe-Legierungsnanoschicht, die einen Fe-Gehalt aufweist, der größer oder gleich 20 Atomprozent und kleiner oder gleich 80 Atomprozent ist, auf der MgO-Sperrschicht; eine ferromagnetische CoFeB-Legierungsschicht auf der CoFe-Legierungsnanoschicht; eine amorphe Trennschicht, die von Ta, Zr, Hf, einer CoFeBTa-Legierung und einer CoHf-Legierung ausgewählt ist, auf der CoFeB-Legierungsschicht; eine ferromagnetische NiFe-Legierungskompensationsschicht, die einen Fe-Gehalt von kleiner oder gleich 15 Atomprozent aufweist; und eine ferromagnetische NiFe-Legierungseinfügungsschicht, die einen Fe-Gehalt von größer oder gleich 40 Atomprozent und kleiner oder gleich 55 Atomprozent aufweist, zwischen der Trennschicht und der NiFe-Legierungskompensationsschicht; eine Deckschicht auf der freien ferromagnetischen Mehrschicht; und eine zweite Schutzschicht aus magnetisch permeablem Material auf der Deckschicht.
Lesekopf nach Anspruch 18, wobei die NiFe-Legierungskompensationsschicht eine im Wesentlichen kubisch flächenzentrierte (face-centered-cubic – fcc) kristalline Struktur aufweist und die NiFe-Legierungseinfügungsschicht eine im Wesentlichen kubisch raumzentrierte (body-centered-cubic – bcc) kristalline Struktur aufweist.
Lesekopf nach Anspruch 18, der ferner Folgendes aufweist: eine antiparallele (AP) gepinnte Struktur zwischen der ersten Schutzschicht und der Sperrschicht und die eine erste AP gepinnte (AP1) ferromagnetische Schicht auf der ersten Schutzschicht und die eine Magnetisierungsrichtung in der Ebene aufweist, eine zweite AP gepinnte (AP2) ferromagnetische Schicht, die eine Magnetisierungsrichtung in der Ebene im Wesentlichen antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der AP1-Richtung aufweist, und eine AP Kopplungsschicht (APC-Schicht) zwischen und in Berührung mit der AP1- und AP2-Schicht aufweist und wobei die Bezugsschicht die AP2-Schicht ist; und eine antiferromagnetische Schicht, die an die AP1-Schicht austauschgekoppelt ist, zum Pinnen der Magnetisierungsrichtung der AP1-Schicht.