TWI222630B - Magnetoresistive element and magnetoresistive memory device using the same - Google Patents

Magnetoresistive element and magnetoresistive memory device using the same Download PDF

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TWI222630B
TWI222630B TW091108072A TW91108072A TWI222630B TW I222630 B TWI222630 B TW I222630B TW 091108072 A TW091108072 A TW 091108072A TW 91108072 A TW91108072 A TW 91108072A TW I222630 B TWI222630 B TW I222630B
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Yasunari Sugita
Masayoshi Hiramoto
Nozomu Matsukawa
Mitsuo Satomi
Yoshio Kawashima
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Matsushita Electric Ind Co Ltd
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1222630 A7 _____B7__ 五、發明說明（ί ) 發明之技術領域 本發明係關於磁阻效應元件(以下簡稱爲「MR元件」） 及使用其之磁性元件者。本發明之MR元件，特別地適用 於自磁碟、光磁碟、磁帶等之媒體讀取資訊之磁記錄再生 用磁頭、汽車等所使用之磁感應器、磁阻效應記憶體元件( 磁性隨機存取記憶體；以下簡稱爲「MRAM」）。 背景技術 得自於具有在至少2層的磁性層之間隔著至少1層的 非磁性層作交互積層之構造的多層膜(磁性層/非磁性層/磁 性層/非磁性層...)之大的磁阻效應，係稱爲巨大磁阻效應 (GMR)。磁阻效應，係對應於磁性層的磁化方向的相對的 差異而改變電阻的現象。 通常，於GMR元件中，係使用Cu、Au等的導電性材 料於非磁性層上。此元件，通常，係使電流平行流過膜面 來使用（CIP-GMR:Current In Plane-GMR)。相對於此，使電 流流過膜面垂直方向之GMR元件係稱爲CPP-GMR(Current Perpendicular to the Plane-GMR)。CPP-GMR 元件，與 CIP-GMR相比較，其磁阻變化率(MR比)大而電阻値小。 作爲不需要大動作磁場的GMR元件，習知者爲旋球 (spin bulb)型元件。於此元件中，於自由磁性層與固定磁性 層間隔著非磁性層做積層，利用對應於自由磁性層的磁化 旋轉所產生之兩磁性層的磁化方向所呈角度的相對變化。 作爲旋球型GMR元件，係提出有例如以反鐵磁性材料之 Fe-Mn爲磁化旋轉抑制層，使其積層於Ni-Fe/Cu/Ni-Fe多層 4 紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) !丨丨丨丨訂--------線< 1222630 A7 _____B7_ 五、發明說明（^ ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 膜之元件。此元件，動作磁場小，直線性優異’但MR比 小。另有報告揭示出：藉由分別以CoFe的鐵磁性材料作爲 磁性層，以PtMn、IrMn的反鐵磁性材料作爲反鐵磁性層’ 以得到MR比提高之旋球型GMR元件。 爲得到更高的MR比，亦提出於非磁性層中使用絕緣 性材料之元件。流過此元件的電流，係可高機率地通過絕 緣層之穿隧電流。於稱爲TMR元件的此元件中，包夾絕緣 層的磁性層之自轉極化率愈高，MR比可期更大。依此， 作爲磁性層，以Fe、Co-Fe合金、Ni-Fe合金等的磁性金屬 、準金屬鐵磁性體等爲適當。 今後，隨著磁頭及MRAM元件的高密度化，使MR元 件朝向微細化進行，則對於MR元件須要求更大的MR比 〇 MR元件在元件中欲發揮大的MR比，必須抑制熱處理 所造成之特性的劣化。磁頭的製程中，通常都配合有250 °C〜300°C程度的加熱處理。且，例如，將TMR元件製作於 CMOS上，以作爲MRAM元件使用之硏究雖正在進行中， 但CMOS製程中，400°C〜450°C程度的高溫熱處理是不可避 免的。經由熱處理致MR元件劣化之理由，目前尙未明確 ’據推測有可能是原子往磁性層與非磁性層的界面之擴散 所致。 依於使用之元件，使用溫度亦須加以考量。於搭載在 硬碟裝置(HDD)之場合，對於MR元件，須要求在裝置的操 作環境溫度(150°C左右)之熱安定性。 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 ____B7 _ 五、發明說明（> ) 如此般，可顯示大磁阻變化率(MR比)之元件，尤其是 即使經過熱處理仍可顯示出高MR比的元件，於實用上是 極爲重要的。然而，於習知的MR元件中，並無法充分滿 足上述的要求。 發明之揭示 因此，於本發明中，係使用含有磁性元素Μ與非磁性 元素X之鐵磁性材料Μ-Χ。亦即，本發明之MR元件，係 含有透過至少1層非磁性層來積層至少2層磁性層而成的 多層膜，且電阻値係依該至少2層磁性層之磁化方向的相 對角度而變化；其中，該磁性層的至少1層係含有由通式 MuXa所表示、具體而言由Μπ^(Χ\Χ2〇Χ34所表示之鐵磁 性材料Μ-Χ。 此處，X1 爲選自 Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、〇s、Ir、Pt 及 Au中之至少1種的元素，X2爲選自A1、Sc、Ti、V 'Cl-Μη 、 Ga 、 Ge 、 Y 、 Zr 、 Nb 、 Mo 、 Hf 、 Ta 、 W 、 Re 、 Zn 及鑭 系元素(原子序數爲57〜71之元素）中之至少1種的元素，X3 爲選自Si、B、C、N、〇、P及S中之至少1種的元素。a 、b、c及d分別爲可滿足下述式子：0.05Sa€60，OSbS 60，〇gc-30，0SdS 20，a=b+c+d 之數値。 又，本說明書中用以顯示組成之數値，全部以原子 %(at%)爲基準。 由本發明之MR元件，可得到大的MR比。此情形據 推測係因經由非磁性元素X的添加，磁性原子的磁性動量 的大小會改變，其結果導致旋轉極化率變大之故。爲使此 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱1 ~' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) t 訂---------線- 1222630 A7 ____B7____ 五、發明說明（W ) 效果更加顯著，a宜爲0.05〜50，尤其是以1〜40更佳。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明之MR元件，於耐熱性方面亦優異。其理由， 現在尙未解明，據推測係因經由非磁性元素X的添加，使 得在磁性層/非磁性層界面之原子擴散的影響得以緩和，及 經由X的添加，可將該界面安定化等之故。由於耐熱性優 異，本發明之MR元件，可適用於各種元件中。 圖式之簡蚩說明 圖1爲顯示本發明之磁阻效應元件的一例的截面圖。 圖2爲顯示本發明之磁阻效應元件的另一例的截面圖 〇 圖3爲顯示本發明之磁阻效應元件的又一例的截面圖 〇 圖4爲顯示本發明之磁阻效應元件的再一例的截面圖 〇 圖5爲顯示本發明之磁阻效應元件的再另一例的截面 圖。 圖6爲顯示本發明之磁阻效應元件的又再另一例的截 面圖。 圖7爲顯示具有複數的固定磁性層之本發明的磁阻效 應元件的一例的截面圖。 圖8爲顯示具有複數的固定磁性層之本發明的磁阻效 應元件的另一例的截面圖。 圖9爲顯示進一步進行非磁性層的積層之本發明的磁 阻效應元件的一例的截面圖。 7 _ 夹紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 _____B7__ 五、發明說明（< ) 圖10爲顯示進一步配置電極之本發明的磁阻效應元件 的一例的截面圖。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖11爲顯示本發明之屏蔽型磁阻效應型磁頭的一例之 圖。 圖12爲顯示本發明之軛型磁阻效應型磁頭的一例之圖 〇 圖13爲顯示本發明之磁性記錄裝置的一例之圖。 圖14爲顯示本發明之磁性記憶體元件的一例之圖。 圖15爲顯示本發明之磁性記憶體元件的寫入動作與讀 取動作的一基本例之圖。 圖16爲顯示本發明之磁性記憶體元件的寫入動作與讀 取動作的另一基本例之圖。 圖17爲顯示本發明之磁性記憶體元件的寫入動作與讀 取動作的再另一基本例之圖。 圖18爲顯示依於實施例所測定之熱處理溫度與規格化 MR比的關係之圖。 圖19爲顯示依於實施例所測定之Pt含有量與規格化 MR比的關係之圖。 圖20爲顯示依於實施例所測定之熱處理溫度與MR比 的關係之圖。 圖21爲顯示依於另一實施例所測定之熱處理溫度與 MR比的關係之圖。 圖22爲顯示依於再另一實施例所測定之熱處理溫度與 MR比的關係之圖。 8 t %争紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 ______B7___ 五、發明說明（g ) 圖23爲顯示依於又再一實施例所測定之熱處理溫度與 MR比的關係之圖。 圖24爲顯示依於更再一實施例所測定之熱處理溫度與 MR比的關係之圖。 圖25爲顯示依於更再一實施例所測定之熱處理溫度與 MR比的關係之圖。 圖26爲用以說明轉移磁場之圖。 發明之實施形態 以下，就本發明之較佳實施形態加以說明。 非磁性元素X，分類成X1〜X3，依其種類而使用於適當 的範圍。 非磁性元素X1，係外層電子數(d電子數)爲Fe以上之 鉑族元素(Ru、Rh、Pd、〇、〇s、Ir、Pt)與d電子有10個之 Cu、Ag、Au。尤其是鈾族元素，具有於添加到磁性元素Μ 時會顯示出顯著的磁性之性質，與使用其他元素之情形相 較，其自旋極化率較大。因此，有益於得到高MR比。且 鉑族元素，由於原子半徑大、化學上較安定，故於MR元 件的結合構造之元件製程安定性、亦即高耐熱性之實現上 甚爲有用。 非磁性元素X2，係外層電子數較Fe少的過渡金屬元 素的一部份。將此等元素添加到磁性元素M中，亦可使自 旋極化率增大，提高MR比。 非磁性元素X3，係非金屬元素。將此等元素添加到磁 性兀素Μ中，則可使材料微結晶化，或非晶質化。添加此 9 Α 紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格 - ,——··--------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1222630 A7 ____B7_ 五、發明說明（’I ) 等元素，則藉由結晶構造的改變，可增高MR比，並使接 合構造安定化。 於鐵磁性材料M-X中，若含有X1、X2之至少一種 (b+c>0)，則可得到顯示出高MR比之MR元件，尤其是若 同時含有X1、X2(b>0，c>0)，則可得到高MR比且耐熱性優 異，並且磁性異向性受到抑制之MR元件。於鐵磁性材料 M-X中，若含有X1、X3之至少一種(b+d>0)，則可得到顯示 出高MR比之MR元件，尤其是若同時含有X1、X3(b>0， d>0)，則可再現性良好地得到高MR比且耐熱性優異的MR 元件。 本發明之MR元件，作爲旋球型，即作爲磁性層，亦 可爲含有受到外部磁場作用時其磁化相對上容易旋轉的自 由磁性層，與其磁化相對上難以旋轉的固定磁性層之元件 〇 此場合，上述鐵磁性材料，含於固定磁性層與自由磁 性層的至少一方即可。若於自由磁性層中含有鐵磁性材料 M-X，則可容易謀求使自由磁性層之轉移磁場減低的軟磁 特性之提高，及抑制因於熱處理之軟磁特性的劣化；若於 固定磁性層中含有同材料，則可容易謀求MR特性之耐熱 性的提高，尤其是使用Μη系反鐵磁性材料之旋球膜中因 於雜質擴散所致之MR比的劣化可得以抑制而提高耐熱性 。於本發明之較佳之一個形態，係在含有Μη的反鐵磁性 層與非磁性層之間配置含有鐵磁性材料Μ-Χ之固定磁性層 。在此元件中，因於反鐵磁性層中所含有之Μη的擴散之 10 u亦紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） i----1--·--------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1222630 A7 _____B7__ 五、發明說明（X ) 不良影響可得以抑制。 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 經由使用鐵磁性材料M-X，亦可提高自由磁性層的軟 磁特性。具體而言，可將自由磁性層的轉移磁場的絕對値 抑制於200e以下，甚至是至i〇〇e以下。 此處，轉移磁場，係於固定磁性層之不會磁化反轉的 磁場範圍中使自由磁性層進行磁化反轉之場合，在用以表 示磁場與磁化的關係之磁化-磁場曲線(M-Η曲線）中，將磁 化爲0的2個磁場作爲化、H2(其中，H1SH2)之時，係以 後述的式子來定義。如圖26(a)所示般，轉移磁場Him爲顯 不磁化-磁場曲線(M-Η曲線，磁化曲線)的轉移量之指標。 其中，轉移磁場Hhu，亦可自與M-Η曲線相對應之磁阻曲 線，如圖26(b)所示般，自MR比爲一半之2個磁場Hi、H2 同樣地求出。以下，轉移磁場係以其絕對値表示。
Hint=(Hi+H2)/2 本發明之MR元件，亦可進一步含有用以抑制固定磁 性層的磁化旋轉之反鐵磁性層。於反鐵磁性層中，可使用 各種反鐵磁性材料。 含有鐵磁性材料M-X的磁性層，可爲單層膜亦可爲多 層膜。磁性層爲多層膜之場合，至少1層的磁性膜由鐵磁 性材料M-X所構成即可。尤其是，與非磁性層相接之磁性 膜若當作由鐵磁性材料M-X所構成之磁性膜，則耐熱性可 大爲提高。 磁性層，亦可爲含有非磁性膜與包夾著此非磁性膜之 一對的磁性膜之多層膜、特別是透過非磁性膜讓一對之磁 11 _ .卞本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 ___._B7_ 五、發明說明（1 ) 性膜做反鐵磁性結合或靜磁結合之多層膜。磁性層，亦可 爲只對由磁性元素Μ所構成之層的一部份添加非磁性元素 X之層，例如，以Μ/Μ-Χ表示之多層膜。且，可將自由磁 性層作成爲由Μ-Χ所構成的磁性膜上積層軟磁特性較此磁 性膜爲優異之軟磁性層而成的多層膜。理由在於自由磁性 層的磁化可更容易旋轉之故。磁性層，亦可含有非磁性層 或與非磁性膜的界面所形成的界面磁性膜。若形成界面活 性膜，則可期高MR化。作爲界面磁性膜可列舉例如：由 Fe3〇4、CrCb等所構成之膜厚爲0.5〜2nm左右的膜。 本發明之MR元件，可作爲GMR元件使用，亦可作爲 TMR元件使用。非磁性層，於前者之場合，係由導電性材 料所構成，於後者之場合，則由絕緣性材料所構成。作爲 導電性材料，以含有選自Cu、Ag、Au、Cr及Ru中之至少 1種的材料爲佳。作爲絕緣性材料，以含有選自A1的氧化 物、氮化物及氮氧化物中之至少1種的材料爲佳。 欲使電流垂直地流過膜面之場合（TMR元件、CPP-GMR元件），可用將磁性層/非磁性層包夾之方式，進一步 配置一對的電極層。 作爲磁性元素Μ，可用由通式FemCopNU所表示之元 素。因而，上述鐵磁性材料，可用組成式[FemC〇PNiq]1Q()_ '[X'X^XMa表示。p、q可於 O^p^l、o^q^l、p+q^ 1 的 範圍內調整。 Μ 爲 3 成分系之場合(〇<ρ<1、〇<q<l、p+q<l)，p 及 q， 分別以（kpd、0<qS0.9爲佳(而以0<qS0.65更佳）。Μ爲 12 ,本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —'—' —^-----------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1222630 A7 ___ —_B7_ 五、發明說明（Μ )
Fe與Ni的2成分系之場合(p=0、〇<q<i ; FeuNiO，q以 0<qS0.95爲佳。M爲Fe與Co之2成分系之場合(q=0、 0<ρ<1 ; FenCop)，p 以 〇<p$ 0.95 爲佳。 不依賴磁性元素Μ，欲得到更高的MR比時，X以選 自 V、Cr、Mn、Ru、Rh、Pd、Re、〇s、Ir 及 Pt 中之至少 1 種的元素爲佳。 由於Pt係可兼顧高MR比與優異的耐熱性之元素，故 作爲X，以含有Pt爲佳。使用Pt作爲X之場合，可將a 定爲0.05〜50。此場合，於Μ係由式Fe^Niq表示之時，須 將Q限制於0<Q$0.9的範圍內，於Μ由式Fe^Cop所表示 之時，須將P限制於0<pS0.9的範圍內。與Pt —倂使用之 Μ爲Fe亦可。又，於使用Fei〇〇.aPta之場合，欲用於固定磁 性層中以得到大的反轉磁場，且得到高MR比與優異的耐 熱性時，a的範圍以定爲0.05SaS 20爲佳。 較佳的X之其他例爲Pd、Rh或Ir。於使用此等元素 的場合，a宜定爲0.05〜50。 作爲X，亦可使用選自V、Cr、Mn、Ru、Rh、Pd、Re 、〇s、Ir及Pt中之至少2種的元素。 X爲由式PuRe。表示之場合，b與c須爲可滿足下述之 式子：0<b<50、0<c-20、a=b+c、0.05€ag50 之數値。 X爲由式PtblPdb2或RhbJrb2表示之場合，匕與b2須爲可 滿足下述之式子：OcbMO、0<b2<50、、0.05Sa$50 之數値。 鐵磁性材料M-X，其沿著厚度方向具有組成的梯度亦 13 ……本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —^-----------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1222630 A7 _^_B7____ 五、發明說明（〇) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 可。有關組成的梯度之詳細情形並無特別的限定。元素 M(X)的比例，可沿著厚度方向單純地增高或單純地減少， 亦可爲週期性的變化。 鐵磁性材料M-X具有之構造，與由Μ所構成之材料在 常溫常壓下優先地生成之結晶構造相異之場合，其自旋極 化率會增大而可得到大的MR比。又，作爲相異的結晶構 造，以含有選自fee(面心立方體晶格)及bcc(體心立方晶格) 中之至少1種爲佳。
Fe係易於成爲bee構造者，若對其加入易於成爲fee 構造的元素X(例如，Pt、Pd、Rh、Ir、Cu、Au、Ag)，可得 到例如含有fee構造之Fe-h材料。又，若對fee構造之Ni-Fe合金加入易於成爲bcc構造的元素X(例如，Cr、Nb、 Mo、Ta、W、Eu)，可得到例如含有bcc構造之Ni-Fe-Cr材 料。又，對易於成爲hep構造之Co加入易於成爲fee構造 之Pd，可得到含有fee構造之Co-Pd材料。 鐵磁性材料M-X，亦可爲2種以上的結晶之混晶，以 例如，含有選自fee、fct(面心正方晶格）、bee、bct(體心正 方晶格)及hep(六方最密晶格)中之至少2種之混晶爲佳。 fet及bet，分別爲fee及bee構造的結晶軸的一邊與其他二 邊爲相異的結晶構造。惟，鐵磁性材料M-X，亦可爲含有 選自更進一步加入三邊皆相異的斜方晶系之面心斜方晶格 及體心斜方晶格之結晶系中之至少2種的混晶。又，藉由 元素X的添加，鐵磁性材料亦可爲具有例如，fee與bee、 fee與hep的相交界區域的構造者。 14 t以本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 ________B7_ 五、發明說明（^ ) 經由結晶構造的改變導致自旋極化率增大的理由尙未 解明，據推測係如於殷鋼(invar)合金中所指出般，由於磁 性自旋轉與電子構造極結晶構造之間的關係所造成的影響 〇 鐵磁性材料M-X，可爲非晶質者，惟，以結晶質爲佳 ，例如爲平均結晶粒徑爲l〇nm以下的柱狀晶亦可。此處 ，平均結晶粒徑，係將圓柱狀等的結晶粒換算成體積相等 之球時的該球之直徑作爲粒徑而進行評價。 以下，就本發明之磁阻效應元件及使用其之裝置(磁阻 效應型磁頭、MRAM)的構成例，參照圖式加以說明。 圖1爲顯示使用本發明之MR元件的一例之截面圖。 於圖1中，隔著非磁性層2而積層之兩磁性層1、3具有相 異的磁化反轉磁場(保磁力）。保磁力相對地較大的磁性層1 爲固定磁性層，保磁力相對地較大的磁性層3爲自由磁性 層。此元件中，磁性層1、3的至少一部份須爲上述鐵磁性 材料M-X。此元件可獲得較使用由Fe、Co、Ni或其等的合 金所構成的磁性層之習知的MR元件爲大的MR比與改善 的耐熱性。 由鐵磁性材料M-X導致高MR化的理由，據信係因於 如下述更詳細舉出之複數的效果所致。第1爲，磁性元素 Μ的費米(Fermi)面的狀態密度依於非磁性元素X而變化’ 致使費米面附近的自旋極化率增大之效果。第2爲’非磁 性元素X導致構成磁性元素Μ之磁性原子的原子間距離及 電子配置的變化，致能帶(band)構造改變導致自旋極化率增 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐）
•t- -V ] ά / ---r-I--J------------------------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1222630 A7 ____B7___ 五、發明說明（A ) 大的效果。第3爲，非磁性層與磁性層的界面之接合可藉 由上述材料以原子層次良好地進行，對磁阻無貢獻的散亂 可得以減少之效果。 鐵磁性材料M-X使耐熱性提高的理由，如上述般，在 目前尙未解明，惟，據推測係因於該鐵磁性材料成爲自反 鐵磁性層等所擴散之原子的陷阱(trap)，對磁性層/非磁性層 界面所產生之熱應力的緩和等所導致者。 鐵磁性材料M-X的使用，對反磁場的減低及轉移磁場 的抑制亦有效果。含有此材料的磁性層，較由習知的元素 Μ所構成之磁性層之飽和磁化低，故反磁場較小。反磁場 小，則尤其在作微細加工之元件(例如元件面積50/zm2以 下，尤以10//m2以下更佳)之磁化反轉磁場(即切換磁場)之 減低有效果。低的切換磁場，有益於例如MRAM之低消耗 電力之實現。 依於鐵磁性材料M-X，亦可使所謂之轉移磁場減低。 轉移磁場(Hnu)，係隔著非磁性層2而進行積層之磁性層1 、3因界面的凹凸所引起之磁極的局部性的鐵磁性結合(橘 皮偶合(orange peel coupling))而發生者。 使用上述鐵磁性材料於自由磁性層或固體磁性層中， 較使用由習知的元素Μ所構成之磁性層之場合，磁極會減 弱，且界面會較平滑，故結果可抑制轉移磁場。 欲使反磁場減低與轉移磁場的抑制以提高軟磁特性， 可將非磁性元素的原子比例a定爲5〜60。原子比例a，就 減低反磁場之觀點考量，以15〜60爲特佳，就抑制轉移磁 16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ·? •—..—·--------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1222630 A7 ________B7_ 五、發明說明（A) 場之觀點考量，以10〜60爲佳。 磁性層及非磁性層的積層數並無特別限定，可爲例如 ，對圖1的構成之上進一步以非磁性層與磁性層交互地進 行積層。於積層數增加之場合，若將鐵磁性材料至少使用 於1層的磁性層之一部份中，則可得到特性改善的效果。 於非磁性層2中，可因應於元件種類來使用導電性或 絕緣性的材料。作爲用於GMR元件的非磁性層之導電性材 料，可列舉如選自Cu、Au、Ag、Ru、Cr及此等合金中之 至少1種。作爲用於TMR元件的非磁性層(穿隧絕緣層)之 絕緣性材料，只要爲絕緣體或半導體並無特別限定，惟， 以選自包含 Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr 之 Ila 族 〜Via族，包含La、Ce之鑭系元素，包含Zn、B、A1、Ga 、Si之lib族〜VIb族中之至少1種元素與選自F、〇、C、 N、B中之至少1種元素所成之化合物爲佳。尤其是A1的 氧化物、氮化物或氮氧化物，與其他材料相比，在絕緣特 性優異、可薄膜化、且再現性亦優異。 爲增大磁性層的磁化反轉磁場，可在磁性層上進一步 進行反鐵磁性層之積層。於圖2所示之元件中，反鐵磁性 層8係設計成與固定磁性層1相鄰接。藉由與反鐵磁性層 之交換偏壓磁場，固定磁性層會顯現單方向性，致反轉磁 場會增大。如此般磁性層的磁化之平行/反平行變得明確可 得到安定輸出。 作爲反鐵磁性層，以 Pt-Μη、Pd-Pt-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn 、Ni-Mn等的Μη系反鐵磁性材料(含有Μη之反鐵磁性材 17 t _本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） .—J-----------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1222630 A7 _______B7__ 五、發明說明) 料)爲佳。作爲反鐵磁性層的底層，可使用Ta、Nb、Hf、 Zr、Cr、Pt、Cu、Pd等。爲提高反鐵磁性層的結晶配向性 ，亦可配置Ni-Fe及Ni-Fe-Cr等作爲底層。 如圖3所示般，以固定磁性層1作爲多層膜，可自非 磁性層2側，依序配置第1磁性膜11及第2磁性膜12。於 此元件中，藉由第2磁性膜12與反鐵磁性層8之間的偏壓 磁場，和第2磁性膜12與第1磁性膜11間的鐵磁性的結 合，可賦予固定磁性層1全體以一方向異向性。於第1磁 性膜11爲含有鐵磁性材料M-X之場合，第2磁性膜12並 無特別限定，可用例如Fe-Co-Ni合金。 如圖4所示般，可將固定磁性層1作成爲自非磁性層 2側來看，依序積層第1磁性膜11、第2磁性膜13、非磁 性膜14、第3磁性膜15，作成多層膜。若將非磁性膜14 的膜厚作成爲適當的膜厚，則於磁性膜13、15之間會發生 反鐵磁性的交換結合。作爲第2、第3磁性膜13、15，藉 由使用CoFe等飽和磁化大的硬質磁性材料，則固定磁性層 1的磁化反轉磁場會增大。如此般的磁性膜隔著非磁性膜 而作反鐵磁性交換結合之多層膜，係稱爲積層鐵氧體(ferri) 。積層鐵氧體之非磁性膜14，以選自Cr、Cu、Ag、Au、 Ru、Ir、Re、〇s及此等之合金中之至少1種爲佳，其膜厚 以0.2〜1.2nm爲佳。 如上述般，若使用透過至少1層的非磁性膜來積層至 少2層的磁性膜，隔著非磁性膜之相對向的磁性膜之磁化 方向於零磁場下爲朝向反平行方向之多層膜，則於元件經 18 ____ _本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ----/---1--------------^ · I------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1222630 A7 ^_；_B7 五、發明說明（Λ ) 微細化之場合的反磁場可減小，故磁場回應性會變佳。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 代之以圖4中所示之多層膜(積層鐵氧體)13、14、15， 亦可使用高保磁力磁性膜。作爲高保磁力磁性膜，以c〇-Pt 、Co_Cr-Pt、Co_Ta-Pt、Co-Sm、Fe-Tb 等之保磁力爲 1〇〇〜 以上(約7.96kA/m以上)的材料爲佳。 於使用圖5所示之積層鐵氧體固定層之旋球型元件中 ，係於圖4所示之固定磁性層1上積層著反鐵磁性層8。 使用此元件，則較單獨使用反鐵磁性層之場合，可更高偏 壓磁場化。 又，磁性膜13、15，亦可非爲反鐵磁性結合，而爲靜 磁結合。於使之靜磁結合之場合，非磁性膜14，只要是非 磁性材料即可，並無特別限定，通常須爲2nm以上（並以 3nm以下爲佳)的厚度。 圖6、圖7所示之元件，其係在自由磁性層3的兩側 配置有固定磁性層1、5之雙旋球構造。於圖6的元件中， 爲將固定磁性層1、5的磁化方向加以固定而使用反鐵磁性 層8a、8b。於圖7的元件中，固定磁性層1、5，分別在反 鐵磁性層側含有積層鐵氧體固定層13(53)、14(54)、15(55) 。若使用雙旋球構造，則於由非磁性層2、4爲導電性材料 所構成之GMR元件中，由於電子受到磁性散亂之磁性層/ 非磁性層之界面增加，故可得到更大的MR比。於非磁性 層2、4爲穿隧絕緣層所構成之TMR元件中，MR比並無太 大的改變，惟由於具有2層屏蔽之故，偏壓電壓依存性會 提局。 19 m麥紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 B7 五、發明說明（〇) 如圖8所示般，可在自由磁性層3上進一步積層由絕 緣材料所構成之非磁性層9。若配置有非磁性層9，則於 CIP-GMR元件中，電子會因非磁性層而反射，使得高MR 化成爲可能，於CPP-GMR元件或TMR元件中，由於流過 元件內之電子中含有較費米能階更高能量者，故可高輸出 化，可改善偏壓電壓依存性。作爲非磁性層9，可使用例 如A1的氧化物、氮化物、氮氧化物、Mg氧化物、Si氧化 物、Ta氧化物。 如圖9所示般，亦可用自由磁性層3來作爲多層膜。 於多層化之場合，於非磁性層2側配置由鐵磁性材料M-X 所構成之磁性膜31即可。對此磁性膜31施行軟磁性膜32 之積層，則可減低自由磁性層的磁化反轉磁場。作爲軟磁 性膜32，可使用例如Ni-Co-Fe合金。作爲此合金的組成， 以 NisCotFeu 來表示，以 0.6$sS0.9、0StS0.4、0$uS0.3 之富含Ni的軟磁性膜，或0Ss$0.4、0.2St$0.95、0$u S0.5之富含Co的軟磁性膜爲佳。 作爲自由磁性層的一部份，亦可使用採NiFe等的飽和 磁化小的軟磁性材料之積層鐵氧體自由層。於圖6及圖7 所例示之雙旋球型元件中，亦可於自由磁性層3中含有積 層鐵氧體自由層。此場合，可將自由磁性層3分割爲2層 ，而中介以由磁性膜A/非磁性膜B/磁性膜C/非磁性膜D/ 磁性膜E所構成之積層鐵氧體自由層。積層鐵氧體之構成 ，並非限定於此等，例如，於磁性膜C與分割之自由磁性 層爲反鐵磁性交換結合之場合，亦可省略磁性膜A、E。 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 〜 r---- -------------------訂----I----線 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 1222630 A7 ____B7___ 五、發明說明（J ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 以上，於例示之MR元件中，只要在磁性層1、3、5 的至少一部份中含有鐵磁性材料M-X，則可改善MR特性 。於使磁性層進一步多層化之場合，於未使用M-X之磁性 層部分，可使用例如習知的選自Fe、Co及Ni中之至少一 種的金屬。 作爲構成MR元件之各薄膜的形成方法，可使用脈衝 雷射沈積法(PLD)、離子束沈積法(IBD)、集束(cluster)離子 束、RF、DC、ECR、螺旋波(helicon)、感應耦合電漿(ICP) 、對向靶等之各種濺鍍法、MBE、離子植入法。此等PVD 法亦可使用CVD法、鍍敷法、溶膠凝膠法等。以下以濺鍍 法爲例，就鐵磁性材料M-X的製作方法加以說明。此材料 ，可於例如就磁性元素Μ之所要的組成考量其組成偏差而 決定其組成之合金靶上，配置非磁性元素X的顆粒進行成 膜而製作。亦可同時或交互地進行磁性元素Μ的靶與非磁 性元素X的靶之濺鍍。亦可將非磁性元素X的一部份於氣 體狀態下導入裝置內施行反應性濺鍍。亦可使用就依存於 成膜條件(濺鍍氣體種類、氣體壓力、投與電力等）之所要 的組成考量其組成的偏差而決定其組成的合金靶，來製作 鐵磁性材料Μ-Χ。 於製作作爲非磁性層之穿隧層之場合，可例如先製作 由選自包含 Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr 之 Ila 族 〜Via族元素、包含La、Ce之鑭系、以及包含Zn、B、A1、 Ga、Si之lib族〜VIb族中之至少1種元素之合金或化合物 的薄膜先驅物，再於選自F、〇、C、N及B中至少1種的 21 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 _____._B7______ 五、發明說明（β) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 元素以分子、離子、自由基等的形式存在之環境氣氛中， 一邊控制溫度、時間，一邊使上述先驅物與上述元素反應( 例如，氧化、氮化等）。作爲薄膜先趨物，可將選自F、〇 、C、Ν及Β中任一之元素，製作成未達化學計量比之不 定比例化合物，再使此化合物在含有F、0、C、Ν或Β之 元素的分子、離子、自由基等之適當的環境氣氛中保持於 適當的溫度與時間，使該元素進一步反應而得到。 例如，於用濺鍍法製作成作爲穿隧絕緣層之Ah〇3膜之 場合，使A1或Al〇x(xS 1.5)在Ar或Ar+〇2環境氣氛中進行 成膜，然後反覆進行使其在〇2或〇2+惰性氣體中氧化之製 程。又，於等離子體及自由基之製作，可用ECR放電、輝 光放電、RF放電、螺旋波、ICP等。 於製作含有可使電流流過膜面垂直方向之MR元件之 裝置時，將使用離子銑、RIE、FIB等的物理性或化學性的 蝕刻法、用以形成微細圖案之步進器、EB法等之微影術技 術加以組合來施行微細加工即可。於圖10所示之元件中， 在基板21上，依序積層下部電極22、MR元件23、上部電 極24，在元件周圍的電極間，配置有層間絕緣膜25。於此 元件中，對包夾在上部電極24與下部電極22之間的MR 元件23通以電流，讀取其電壓。如此般，於電流流過膜面 之垂直方向的MR元件中，可進一步沿著此方向進一步配 置一對包夾著元件之電極。又，爲使含於元件之電極等的 表面平坦化，可使用CMP、或集束離子束蝕刻爲之。 作爲電極22、24的材料，以Pt、Au、Cu、Ru、A1等 ___ 22 _ ^本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） 1222630 A7 _____B7 _ 五、發明說明（，） 低電阻金屬爲佳。作爲層間絕緣膜25，以Ah〇3、Si〇2等絕 緣性優異之材料爲佳。 茲將使用本發明之MR元件之磁阻效應型磁頭的一例 以圖11表示。於此磁阻效應型磁頭中，設置有用以限制須 偵側之磁場以外的磁場導入MR元件的磁性體所構成之2 個磁性屏蔽(上部屏蔽35及下部屏蔽31)，在此2個磁性屏 蔽的再生間隙(gap)長內，配置有MR元件部33與包夾MR 元件部33之電極32、34。使用此磁頭之磁性資訊的記錄 動作，係使電流流過繞線部37，藉由自記錄用電極38與 上部屏蔽35之間的記錄間隙(於此部分形成絕緣膜36，間 隙長係相當於絕緣膜的膜厚)之漏洩電場，使訊號寫入記錄 媒體中而進行記錄。再生，則藉由設置於再生間隙(屏蔽間 隙)間的MR元件讀取來自記錄媒體的訊號磁場而進行。 於此磁頭的MR元件部33使用TMR元件或CPP-GMR 元件之場合，上下的屏蔽可兼作爲上下的電極之構造，而 可省略電極，使再生磁頭間隙更爲狹窄化。於使用CIP- GMR元件之場合，上下的電極分別與上下的屏蔽相互絕緣 〇 如圖12所示般，具有由磁性體所構成之導磁件(軛)之 磁頭中，亦可使用本發明之元件。在此磁阻效應型磁頭中 ’係將經由軛41a、41b偵側出之磁場導入MR元件部43 中。軛可兼作爲磁性屏蔽，MR元件部43的下方的下部軛 41b則兼作爲下部導線。用以偵測訊號磁場的電流，係流 過上部導線44與下部軛41b之間。MR元件的自由層全體 ___ 23 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) t 訂---------線· 1222630 κι ____Β7___ 五、發明說明（Μ) 或其一部份，亦可兼用爲軛。此磁頭，雖以使用TMR元件 或CPP-GMR元件爲前提，惟，亦可使用在MR元件與軛部, 之間施以絕緣等使電流流過膜面方向之CIP-GMR元件。 亦可用此等磁頭來構成HDD等之磁性記錄裝置。HDD 爲例如圖13所示般，具備有磁頭71、磁頭之支撐臂72、 臂及磁碟的驅動部73、訊號處理部74、及經由磁頭將訊號 記錄/再生之磁性記錄媒體(磁碟)75。 使用本發明之MR元件作爲記憶體元件之MRAM的一 例如圖14所示。MR元件61，係於由Cu、A1等所構成之 位元(感應)線62與字元線63的交點上配置成矩陣狀。位 元線係相當於資訊讀取用之導體線，字元線則相當於資訊 記錄用導線。藉由訊號電流流過此等線中所發生之合成磁 場，可將訊號記錄於元件上。訊號，係記錄於呈"on〃狀態 的線之交叉位置上所配置的元件（於圖14中爲MR元件 61a)上(2電流一致方式）。 茲參照圖15〜圖17就MRAM的動作進一步加以說明。 於此等圖中，係顯示寫入動作與讀取動作的基本例。又， 於此處，雖係使用圖1所示之MR元件61(由固定磁性層1 、非磁性層2、自由磁性層3所構成之元件），惟可使用之 元件並非限定於此。於圖15所示之MRAM中，爲了將元 件的磁化狀態個別地讀取，係於每個元件分別設置有FET 等的切換元件64。此MRAM，適合用來製作於CMOS基板 上。於圖16所示之MRAM基板中，係於每個元件上配置 有非線性元件或整流元件65。作爲非線性元件，可使用可 24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） *r Λ --j--------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1222630 A7 ____B7_ 五、發明說明（W) 變電阻、穿隧元件、或上述3端子元件。此MRAM，只須 增加二極體的成膜製程，即可在低價的玻璃基板上製作。 於圖17所示之MRAM中，並不使用切換元件、整流元件 等，而係於字元線與位元線的交點上直接配置著元件61。 此MRAM中，於讀取時係成爲電流流過複數元件之狀態。 因而，爲了確保讀出的精確度，以將元件數限制於10000 個以下爲佳。 圖15〜圖17中，位元線62，亦可用來作爲當電流流過 元件時用以讀取電阻變化之感應線。然而，爲防止因位元 電流導致之錯誤動作及元件損壞，亦可將感應線與位元線 分開配置。此場合，位元線係與元件呈電性絕緣，且宜以 與感應線成爲平行之方式配置。又，就寫入之消耗電力之 抑制的觀點考量，字元線、位元線與記憶體(元件）之間隔 以作成500nm以下爲佳。 實施例 於附有熱氧化膜之Si基板上(3吋0)上，使用多元磁 控管濺鍍法，製作出各實施例的欄位中所記載的構成之元 件，就MR特性加以調查。 (實施例1) 附有熱氧化膜之Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Pt -Mn(20)/Co-Fe(l)/ 鐵磁性材料 M-X(2)/A1-〇(1.0) /Co-Fe(3)/Ta(15) 此處，括弧內的數値表示膜厚(單位：nm，同樣地表示 膜厚）。惟，A1-0的膜厚之値，係表示氧化處理前的A1的 _____25__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） {請先閱讀背面•之注意事項再填寫本頁) € -1線- 1222630 A7 ____B7____ 五、發明說明（4) ·、-------‘------%·! (請先閱讀背面之注咅3事項再填寫本頁) 設計膜厚値(合計値)(含Al-N、A1-N-0之氮化、氮氧化處理 ，以下同）。Al_〇，係使A1成爲0.3〜〇.7nm膜之後，於含氧 環境氣氛中(200Torr(約0.267MPa)、1分鐘)反覆進行氧化而 製作。 基板上之Ta(3)/Cu(50)爲下部電極，與pt-Mn相鄰接之 Ta(3)爲底層。Ta(15)爲MR膜的保護層，而其一部份亦作 爲上部電極。Pt-Mn相當於反鐵磁性層。將各層膜，如圖 10所不般微細加工成台面(mesa)型，再形成作爲上部電極 之Cu(50)/Ta(3)。接著，於280°C、磁場中施行熱處理 3小時，賦予PtMn單向異向性。試料的元件面積作成1.5 // m X 2.5 // m 0 此MR元件，爲依據圖3的構成之旋球型tmR元件， 於固定磁性層1的一部份中係使用鐵磁性材料M-X。對此 MR元件施加最高的磁場，以直流4端子法調查其 MR特性。MR比，係以最大電阻値爲Rmax、最小電阻値爲 11_時，依下式求出(以下同）： MR 比= {(Rmax-Rmin)/Rmin} X 1〇〇% MR比，依於穿隧絕緣層的材料、製作法及膜厚而變 化。並受到構成元件之膜材料及其膜厚、元件加工製程等 的影響。因而，上述MR元件的特性，係以習知的元件(以 使用構成鐵磁性材料M-X之磁性元素M單獨所構成的材料 之外其餘爲同樣的作法所製作者)的特性作爲基準來進行評 價。此點，在以下的實施例中亦同。其測定結果示於表1 〇 __ 26 I紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱)~'----- 1222630 A7 B7 五、發明說明（外） 表1 試料編號 鐵磁性材料M-X MR(%) (習知例） a01 [Fe]i〇〇 34 (比較例） a02 [Fe]99.96Pt〇.04 34 a03 [Fcj99.95pt0.05 40 a04 [Fe]9sPt5 58 a05 [Fe]9〇Pti〇 56 a06 [Fe]8〇Pt2〇 55 a07 [Fe]7〇Pt3〇 57 a08 [Fe]5〇Pt5〇 40 *a09 [Fe]4〇Pt6〇 34 (比較例） alO [Fe]35Pt65 22 all [FeJ99.95pd0.05 40 al2 [Fe]9〇Pdi〇 48 al3 [Fe]85Pdi5 55 al4 [Fe]65Pd35 54 al5 [Fe]55Pd45 46 *al6 [Fe]48Pds2 35 (比較例） al7 [Fe]39Pd6i 20 al8 [Fe]9〇Rhi〇 46 al9 [Fe]75Rh25 48 a20 [Fe]6〇Rh4〇 44 *a21 [Fe]48Rh52 35 (比較例） a22 [Fe]37Rh63 22 a23 [FeHn 40 a24 [Fe]92lrs 44 a25 [FeHr” 41 a26 [Fe]7〇Ir3〇 39 a27 [Fe]6〇Ir4〇 37 *a28 [FeHni 35 (比較例） a29 [Fe]37lr63 11 (比較例） a30 [FeJ99.97Re0.03 34 a31 [Fe]98Re2 39 27 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -線- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） in. I .j α- 1222630 A7 B7 五、發明說明（〆） a32 [Fe]95Re5 40 a33 [Fe]9〇Rei〇 40 a34 [Fe]8〇Re2〇 38 a35 [Fe]7〇Re3〇 35 (臓例） a36 [Fe]65Re35 18 (臓働 a37 [Fe]99.96N〇.〇4 34 a38 [Fe]98N2 36 a39 [Fe]95N5 38 a40 [Fe]82Ni8 36 (嫌例） a41 [Fe]77N23 21 如表1所示般，於習知例、比較例以外的元件(未註明 者係作爲實施例；以下同）中，得到較習知例a〇l大的MR 比。有若干元件甚至得到50%以上的極大之MR比。MR比 的增大，據推測係因於對Fe添加非磁性元素使自旋極化率 增大所致。 此處，附有「*」標記之元件，由於非磁性元素X之 添加量稍多，MR比的增加率不大。欲得到大MR比，其添 加量的限制爲·· Pt、Pd、Rh、MX1)爲50原子％，Re(X2)爲 30原子％，N(X3)爲20原子％。 再者，對元件加工製程後的3吋晶圓內之穿隧接合電 阻的偏差情形，就習知例與實施例的元件全部加以調查之 下，相對於習知例的接合電阻的偏差情形約爲18%，實施 例的接合電阻的偏差情形則全部收斂於5%以內。偏差情形 小，則於元件的量產上的效果甚佳。 (實施例2) 附有熱氧化膜之Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Pt · Mn(20)/Co-Fe(3)/Ru(0.9)/Co-Fe(l)/ 鐵磁性材料 Μ-Χ(2)/Α1- 28 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) € 線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 B7 五、發明說明（>) 〇(1.0)/鐵磁性材料 M-X⑵/Ni-Fe(5)/Ta (15) A1-0的成膜法係與實施例1相同。進一步與實施例1 同樣地加工成台面型，並形成作爲上部電極的Cu(50)/Ta(3) 。接著，於280°C、5k免磁場中施行熱處理3小時，對Pt-Mn賦予一方向異向性。試料的元件面積作成2//m X3// m ° 此MR元件’爲依據圖5的構成之積層鐵氧體固定層 旋球型TMR元件，於固定磁性層丨及自由磁性層3的一部 份中係使用鐵磁性材料M-X。自由磁性層3，係含有Ni-Fe 軟磁性層。就此元件的MR比，以與實施例1同樣的作法 加以調查。結果示於表2。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 表2 試料編號 鐵磁性材料M-X (固定層側） 鐵磁性材料M-X (自由層側） MR(%) (習知例） bOl Fe]i〇〇 [Fe]i〇〇 18 b02 Fe]99.96 Pt〇.04 [Fe]99.96 Pt〇.04 18 b03 [Fe]95 Pt5 [Fe]95 Pt5 55 b04 [Fe]85 Ptl5 [Fe]g5 Ptl5 58 b05 [Fe]75 Pt25 [Fe]75 Pt25 58 b06 [Fe]65 Pt35 [Fe]65 Pt35 57 b07 [Fe]ss Pt45 [Fe]55 Pt45 35 *b08 [Fe]45 Pt55 [Fe]45 Pt55 19 此較例） b09 [Fe]s7 Pt63 [Fe]37 Pt63 12 blO [Fe]9〇 PtlO [Fe]7〇 Pbo 57 bll [Fe]8〇 Pt20 [Fe]55 Pt45 56 *bl2 [Fe]7〇 Pt30 [Fe]45 Pt55 20 bl3 [Fe]s〇 Pt50 [Fe]82 Ptl8 44 bl4 [Fe]9〇 Pdio [Fe]% Pdi〇 48 b!5 [Fe]8〇 Pcbo [Fe]8〇 Pd20 50 29 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 1222630 A7 __B7 五、發明說明（Λ) M6 [Fe]v〇 Pd30 [Fe]7〇 Ρώ〇 51 bl7 [Fe]s〇 Pds〇 [Fe]5〇 Pdso 41 Μ8 [Fe]85 Pdl5 [Fe>5 Ρώ 55 Μ9 [Fe]65 Pdss [Fe]75 Pd25 48 b20 [Fe]85 Pdis [Fe]65 Pdss 46 b21 [Fe]95 Pds [Fe]8〇 Pd20 45 如表2所示般，於使用鐵磁性材料Μ-Χ之實施例的元 件，無論配置於Α1-0的兩側之材料的組成爲相同或不同’ 皆可得到較習知例大的MR比。又，於附有「*」標記之實 施例b08、M2的元件中，由於Χ(Ρ〇的含有量稍多，故MR 比的增加不大。然而，相對於習知例b01中之自由磁性層 的磁化反轉磁場(保磁力)爲約35^，實施例b08、M2的保 磁力則爲約10^。於磁頭及磁性記憶體中，以自由磁性層 的磁化反轉磁場較小爲佳。如此般，鐵磁性材料M-X的使 用，能提昇自由磁性層的軟磁性特性，對元件感度之提高 等做出貢獻。 就習知例b01與實施例全部，再度於280°C下，施行 10小時熱處理後，就MR特性加以調查。習知例b01與實 施例的MR比，與再熱處理前相比幾乎無變化。另一方面 ，穿隧接合電阻與再熱處理前比較之下，於習知例b01有 20%以上的變化，而實施例全部中之變化則爲5%以內。對 於熱經歷之高安定性，有助於提高泛用性，並使元件設計 更容易。 (實施例3) 附有熱氧化膜之义基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/鐵磁性材料 M-X(5)/Al-〇(0.8)/Co(3)/Ir-Mn(15)/Ta (20) _30 ____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂·· -線- 1222630 A7 ----— B7______ 五、發明說明（vif )
Al-〇’係使A1成膜〇.8nm之後，使用ICP氧化法製作 ° Ir-Mn係相當於反鐵磁性層。進一步以與實施例1同樣地 加工成台面型’形成作爲上部電極之Cu(5〇)/Ta (3)。接著 ’於250°C、磁場中施行熱處理2小時，對Ir_Mn賦予 一方向異向性。試料的元件面積作成X3//m。 此MR元件’係使上下反轉之依據圖2的構成之旋球 型TMR元件，於自由磁性層3係使用鐵磁性材料M-X。就 此元件的MR比，以與實施例1同樣的作法加以調查。結 果示於表3。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
試料編號 鐵磁性材料M-X MR(%) (習知例） cOl [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]i〇〇 27 c02 [Fe〇.9〇Ni〇.10]99.97 Pt〇.〇3 27 c03 [Fe〇.9〇Ni〇.10]99.95 Pt〇.〇5 35 c04 [Fe〇.9〇Ni〇_10]95 Pt5 38 c05 [Fe〇.9〇Ni〇.l〇]90 Ptio 53 c06 [Fe〇.9〇Ni〇.l〇]75 Pt25 44 c07 [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]52 Pt48 44 *c08 [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]48 Pt52 28 (比較例） c09 [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]35 Pt65 16 clO [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]88 Iri2 46 ell [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]8〇 Rh2〇 43 cl2 [Fe〇.9〇Ni〇.l〇]92 Pds 43 cl3 [Fe〇.9〇Ni〇_i〇]85 RU15 30 cl4 [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]85 AU15 29 cl5 [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]95 Res 34 cl6 [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]85 Reis 33 (比較例） cl7 [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]65 Ress 11 cl8 [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]99 Ol 30 cl9 [Fe〇.9〇Ni〇.i〇]95 〇5 31 31 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 __B7 五、發明說明（) (比較例） c20 [Fe〇.9〇Ni〇.l〇]77 〇23 14 鐵磁性材料M-X MR(%) (習知例） c21 [Fe〇.6〇Ni〇.4〇]lOO 31 c22 [Fe〇.6〇Ni〇.4〇]96 Pt4 56 c23 [Fe〇.6〇Ni〇.40]89 Ptll 58 c24 [Fe〇.6〇Ni〇.40]92 Irs 50 c25 [Fe〇.6〇Ni〇_40]80 Rh2〇 48 c26 [Fe〇.6〇Ni〇.40]90 Pdio 48 c27 [Fe〇_6〇Ni〇.4〇]82 Rui8 44 c28 [Fe〇_6〇Ni〇.40]90 Allio 38 (比較例） c29 [Fe〇.6〇Ni〇.40]99.96 Cr〇.〇4 31 c30 [Fe〇.6〇Ni〇.4〇]99.95 Cr〇.〇5 37 c31 [Fe〇.6〇Ni〇.40]98 Cr2 45 c32 [Fe〇.6〇Ni〇.4〇]95 Crs 47 c33 [Fe〇.6〇Ni〇.4〇]92 Crs 45 c34 [Fe〇.6〇Ni〇.40]80 Cn〇 37 (比較例） c35 [Fe〇.6〇Ni〇.40]69 Cr3i 15 (比較例） c36 [Fe〇.6〇Ni〇.40]99.97 N〇_03 31 c37 [Fe〇.6〇Ni〇.4〇] 99.95 No.05 35 c38 [Fe〇.6〇Ni〇.40]97 N3 36 c39 [Fe〇.6〇Ni〇.40]92 Ns 34 (比較例） c40 [Fe〇.6〇Ni〇.40]77 N23 5 鐵磁性材料M-X MR(%) (習知例） c41 [Fe〇.2〇Ni〇.8〇]l(X) 18 c42 [Fe〇.2〇Ni〇.80]98 Pt2 26 c43 [Fe〇.2〇Ni〇_80]91 Pt9 25 c44 [Fe〇.2〇Ni〇.80]88 Ptl2 28 c45 [Fe〇.2〇Ni〇_80]95 Crs 24 c46 [Fe〇.2〇Ni〇_80]85 Cri5 20 (比較例） c47 [Fe〇.2〇Ni〇.80]66 &34 11 c48 [Fe〇.2〇Ni〇.80]99 Sil 19 c49 [Fe〇.2〇Ni〇.80]92 Sis 21 c50 [Fe〇.2〇Ni〇.80]83 Sin 20 (比較例） c51 [Fe〇.2〇Ni〇.80]76 Sl24 10 (請先閱讀背面之注咅2事項再填寫本頁) ;% —線- 如表3所示般，即使於用Fe-Ni合金作爲Μ之場合， _32 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 Α7 Β7 五、發明說明（V) 使用鐵磁性材料M-X之實施例的元件，可得到較習知例大 的MR比。又，於表中，附有「*」標記之c〇8中，MR比 未見到有顯著的增大。 (實施例4) 附有熱氧化膜之 Si 基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Ni- Fe-Cr(4)/Pt-Mn(25)/ 鐵磁性材料 M-X(2.5)/Al-0 (0.7)/C〇>
Fe(2)/Ni-Fe(3)/Ta(20)
Al-〇的成膜法係與實施例1相同。Ta(3)/Ni-Fe-Cr⑷爲 用以抑制Pt-Mn的結晶配向性之底層。進一步與實施例1 同樣地加工成台面型，並形成作爲上部電極的Cu(50)/Ta(3) 。接著，於280°C、5k^磁場中施行熱處理5小時，對Pt-Mn賦予一方向異向性。試料的元件面積作成1.5//m X3 // m 〇 此MR元件，爲依據圖2的構成之旋球型TMR元件， 於固定磁性層1係使用鐵磁性材料M-X。就此元件的MR 比，以與實施例1同樣的作法加以調查。結果示於表4。 表4 試料編號 鐵磁性材料M-X MR(%) (習知例） dOl [Fe〇.7〇C〇0.3〇]lQO 30 (比較侧 d02 [Fe〇.7〇C〇0.3〇]99.96 Pt〇.04 30 d03 [Fe〇.7〇C〇0.30]99 Pti 40 d04 [FC〇.7〇C〇0.30]92 Pt8 48 d05 [Fe〇.7〇C〇0_30]84 Ptl6 45 d06 [Fe〇.7〇C〇0.30]70 Pt3〇 42 d07 [Fe〇.7〇C〇0.30]47 Pt53 31 (比較例） d08 [FC〇.7〇C〇0.30]39 Pt61 16 較例） d09 [Fe〇.7〇C〇0.3〇]99.96 V〇.〇4 30 33 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Γ 1222630 A7 B7 五、發明說明（νπ dlO [Fe〇.7〇C〇〇.30]96 V4 38 dll [Fe〇.7〇C〇〇.30]92 V8 36 (比較例） dl2 [Fe〇.7〇C〇〇.30]68 V32 11 dl3 [Fe〇.7〇C〇〇.30]99 Ni 33 dl4 [FC〇.7〇C〇〇_30]95 Ns 34 (比較例） dl5 [Fe〇.7〇C〇〇_30]78 N22 9 鐵磁性材料M-X MR(%) (習知例） dl6 [Fe〇.3〇C〇〇.7〇]l〇0 38 dl7 [Fe〇.3〇C〇〇.70]99 Ptl 43 dl8 [Fe〇.3〇C〇〇_70]92 Pt8 55 dl9 [Fe〇.3〇C〇〇.70]65 Pt35 44 d20 [Fe〇.3〇C〇〇.7〇]90 Pdio 46 d21 [Fe〇.3〇C〇〇.70]95 Rus 42 d22 [FC〇.3〇C〇〇.70]75 CU25 44 d23 [Fe〇.3〇C〇〇.70]55 CU45 41 d24 [Fe〇.3〇C〇〇.70]90 Crio 41 d25 [Fe〇_3〇C〇〇.70]99.5 O0.5 46 d26 [FC〇.3〇C〇〇.70]99 Ol 41 d27 [Fe〇.3〇C〇〇.7〇]92 〇8 44 (比較例） d28 [Fe〇.3〇C〇〇.7〇]75 〇25 10 鐵磁性材料M-X MR(%) (習知例） d29 [Fe〇.l〇C〇〇.9〇]lOO 32 d30 [Fe〇.l〇C〇〇.90]95 Pt5 52 d31 [Fe〇.l〇C〇〇.90]90 Ptio 40 d32 [Fe〇.l〇C〇〇.90]75 Pt25 41 d33 [Fe〇.l〇C〇〇.90]99 Ol 36 d34 [Fe〇.l〇C〇〇.90]98 02 35 d35 [Fe〇.l〇C〇〇.9〇]95 〇5 33 (比較例） d36 [Fe〇.l〇C〇〇.9〇]70 〇30 5 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) € 訂： -線- 如表4所示般，即使於用Fe-Co合金作爲Μ之場合， 使用鐵磁性材料Μ-Χ之實施例的元件，可得到較習知例大 的MR比。又，於表中，附有「*」標記之d07中，MR比 未見到有顯著的增大。 _ 34 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 ___JB7_ 五、發明說明（V ) (實施例5) 附有熱氧化膜之Si基板/Ta(3)/Cu(50)/ Ta(3)/Co -Sm(80)/Co-Fe(3)/Al-〇(1.1)/鐵磁性材料 M-X(5)/ Ta(20)
Al-〇，係使A1成膜0.3〜0.7nm之後，使用ICP氧化法 製作。Co-Sm係相當於高保磁力層。進一步以與實施例1 同樣地加工成台面型，形成作爲上部電極之Cu(50)/Ta(3)。 接著，於150°C、500k免磁場中施行熱處理1小時，賦予 Co_Sm結晶磁性異向性。試料的元件面積作成4/zm X5// m 0 此MR元件’係依據圖1的構成之保磁力差異型tmR 元件，於自由磁性層3係使用鐵磁性材料m-X。就此元件 的MR比，以與實施例1同樣的作法加以調查。結果示於 表5。又，表5中，相較於自由磁性層3爲單獨使用M所 構成之鐵磁性材料之元件的MR比(MR(M))之上述元件的 MR比(MR(M-X))的比例一倂表示。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) € -線- 表5 試料編號 鐵磁性材料M-X MR% MR(M-X) /MR(M) (習知例） e01 [Fe〇.8〇C〇〇.l〇Ni〇.l〇] 100 30 1.00 e02 [Fe〇.8〇C〇〇.l〇Ni〇.10]95 Pts 41 1.37 e03 [Fe〇.8〇C〇〇.l〇Ni〇.10]84 Ptl6 45 1.50 e04 [Fe〇.8〇C〇0.1〇Ni〇.10]63 Pt37 40 1.33 鐵磁性材料M-X MR% MR(M-X) /MR(M) (_口例） e05 [Fe〇.45C〇〇.3〇Ni〇.25] 100 31 1.19 --- e06 [Fe〇.45C〇〇.3〇Nia25]96 __Pt4 48 1.85 e07 [Fe0.45CO0.30Ni0.25] 85 Ptl5 43 1.65 --〜_35_ 本紙張尺度ϋΊ7國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮) 1222630 A7 B7 五、發明說明（A ) e08 [Fe〇.45C〇〇.3〇Ni〇.25]70 Pt30 38 1.46 鐵磁性材料M-X MR% MR(M-X) /MR⑽ (習知例） e09 [Fe〇.2〇C〇〇.15Ni〇.65] 100 Ptl 18 1.00 elO [Fe〇.2〇C〇〇.15Ni〇.65]99 Pt7 20 1.11 ell [Fe〇.2〇C〇〇.15Ni〇.65]93 Pt20 25 1.39 el2 [Fe〇.2〇C〇〇.15Ni〇.65] 80 22 1.22 鐵磁性材料M-X MR% MR(M - X) /MR(M) (習知例） el3 [Fe〇.2〇Co〇.i〇Ni〇.7〇] 100 17 1.00 el4 [Fe〇.2〇C〇〇.l〇Ni〇.70]95 Pt5 20 1.18 el5 [Fe〇.2〇C〇〇.l〇Ni〇.7〇]9Q PtlO 18 1.06 鐵磁性材料M-X MR% MR(M-X) /MR⑽ (習知例） el6 [Fe0.05CO0.05Ni0.90] 100 15 1.00 el7 [Fe〇.05C〇〇.〇5Ni〇.9〇]96 Pt4 17 1.13 el8 [Fe0.05CO0.05Ni0.90] 85 Ptl5 16 1.07 如表5所示般，即使於用Fe-Co-Ni3元合金作爲Μ的 場合，使用鐵磁性材料Μ-Χ之實施例的元件，可得到較習 知例大的MR比。尤其是Ni的組成比(q)若作成0.65以下 ，則MR比會增大。 (實施例6) 附有熱氧化膜之Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Ni-Fe(3)/Pt-Mn(20)/Co-Fe(3)/Ru(0.9)/Co-Fe(3)/Al -N(l·0)/鐵磁性 材料 M-X(5)/Ta(20)
Al-N，係使A1成膜l.Onm之後，在含有氮氣環境中使 用ICP氮化法製作。Ta(3)/Ni-Fe(3)係Pt-Mn的底層。進一 步以與實施例1同樣地加工成台面型，形成作爲上部電極 之Cu(50)/Ta(3)。接著，於280°C、10k^磁場中施行熱處 ___36_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 _B7_ 五、發明說明（"） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 理3小時，對Pt-Mn賦予一方向異向性。試料的元件面積 作成 2//m X4//m。 此MR元件中，Co-Fe(3)/Ru(0.9)/Co-Fe(3)爲固定磁性層 之積層鐵氧體固定層旋球型TMR元件，於自由磁性層3係 使用鐵磁性材料M-X。就此元件的MR比，以與實施例1 同樣的作法加以調查。結果示於表6。 表6 試料編號 鐵磁性材料M-X MR(%) (習知例） fOl [Fe]i〇〇 20 f02 [Fe]9〇 Pt5 Pds 41 f03 [Feb Ptio Pdis 38 f04 [Fe]78 Ptl4 Pds 42 f05 [Fe]5i Pt35 Pdl4 35 (比較例） f06 [Fe]s5 Pt25 Pd4〇 8 f07 [Fe]7〇 Pt28 Re2 46 f08 [Fe]7〇 Pt24 Re6 42 f09 [Fe]7〇 Ptl8 Rei2 38 *fl0 [Fe]6〇 Ptl5 Re25 21 (比較例） fll [Fek Ptl8 RC35 6 (比較例） Π2 [Fe]37 Pt48 Rei5 3 Π3 [Fe]84 Ptl5 〇l 34 fl4 [Fe]78 Ptl7 〇5 31 fl5 [Fe]68 Pt20 〇12 30 (比較例） Π6 [Fe]63 Ptl5 〇22 11 fl7 [Fe]9〇 Rhs ΙΓ5 38 fl8 [Fe]82 Rhi〇 Irs 39 fl9 [Fe]59 Rhss Ire 37 f20 [Fe]ss Rh4〇 Irs 37 (比較例） f21 [Fe]35 Rhss ΙΓ30 3 鐵磁性材料M-X MR(%) f22 [Fe〇.8〇Ni〇.2〇]lOQ 29 37 線- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 B7 五、發明說明（β ) f23 [Fe〇.8〇Ni〇.20]86 Rhio ΙΓ4 51 f24 [Fe〇.8〇Ni〇.20]80 Rhi2 Irs 48 f25 [Fe〇.8〇Ni〇.20]89 Al6 p5 33 f26 [Fe〇.8〇Ni〇.20]81 AL· p6 34 (比較例）f27 [Fe〇.8〇Ni〇.20]74 Als P23 15 如表6所示般，即使於X中使用2種非磁性元素之場 合，仍可得到較習知例大的MR比。又，於表中，附有「* 」標記之fl〇中，MR比未見到有顯著的增大。Re之添加 以在20%以下的範圍爲佳。 (實施例7) 附有熱氧化膜之 Si 基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Ni- Fe-Cr⑷/Pt-Mn(20)/Co-Fe(3)/Ru(0.9)/Co-Fe (1.5)/鐵磁性材料 M-Χ(1·5)/Α1-〇(0·8)/鐵磁性材料 M-X(l)/Ni-Fe(5)/Ta(15) Al-〇的成膜法係與實施例1相同。進一步與實施例1 同樣地加工成台面型，並形成作爲上部電極的Cu(50)/Ta(3) 。接著，以與實施例1同樣的條件施行熱處理對Pt-Mn賦 予一方向異向性。試料的元件面積作成2//m X3//m。 此MR元件，爲依據圖5的構成之積層鐵氧體固定層 旋球型TMR元件，於固定磁性層1及自由磁性層3的一部 份中係使用鐵磁性材料M-X。於兩磁性層之鐵磁性材料M-X的組成係作成同樣。自由磁性層3，爲了使本身的磁化 旋轉更容易發生，係含有Ni-Fe軟磁性層。就此元件的MR 比，以與實施例1同樣的作法加以調查。結果示於表7。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) € |線- ____ 38 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I t>-ry 1222630 A7 _____B7 五、發明說明（A )
試料編號 鐵磁性材料M-X MR(%) (習知例） g01 [Fe]i〇〇 26 g02 [Fe]93 Pts All Ol 44 g03 [Fe]83.9 Ptl5 Ali Oo.l 45 g04 [Fe]si Ptl5 Ah Ol 48 g05 [Fe]7〇 Pt20 Ah 〇5 45 g06 [Fe]6〇 Pt22 Alis 〇3 44 g07 [Fe]49 Pt21 AI25 〇5 41 較例） g08 [Fe]45 Ptl5 AI35 〇5 12 g09 [Fe]64 Pt25 Ah 〇8 44 glO [Fe]45 Pt35 Als 〇15 46 (比較例） gll [Fe]52 Ptl7 Alio 〇21 9 (比較例） gl2 [Fe]39 Pt48 Als 〇5 19 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) € -線- 如表7所示般，即使於X中使用3種非磁性元素(X1、 X2、X3)的場合，亦可得到較習知例大的MR比。然而， A1(X2)若超過30%，0(X3)若超過20%，Pt、A1及0的合計 (X)若超過60%，則MR比會變小。 (實施例8) 附有熱氧化膜之 Si 基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Ni- Fe(3)/Ir-Mn(15)/Co-Fe(l)/ 鐵磁性材料 M-X⑵/Al-〇(1.0)/Ni-
Fe(4)/Ru(0.8)/Ni-Fe(3)/Ta(20)
Al-〇，係使A1成膜成〇.4nm之後，於含氧環境氣氛中 (200Torr、1分鐘)進行氧化、再進一步使A1成膜0.6nm， 經由ICP法氧化而製作。進一步與實施例1同樣地加工成 台面型，並形成作爲上部電極的Cu(50)/Ta (3)。接著，於 260°C、5k^磁場中施行熱處理3小時，對Ir-Mn賦予一方 ___39 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） f ^ 1222630 A7 ___— _ B7__一 五、發明說明（q ) 向異向性。試料的元件面積作成2.5/zm X4/zm。 此MR元件，爲依據圖3的構成之旋球型TMR元件， 於固定磁性層1的一部份中係使用鐵磁性材料M-X。自由 磁性層3中係使用積層鐵氧體自由層(Ni-Fe(4)/Ru(0.8) /Ni-Fe(3)) 〇就此元件的MR比，以與實施例1同樣的作法加以 調查。結果示於表8。於表8中，將積層鐵氧體自由層的 保磁力（HC)與零磁場起之轉移磁場(Hint) —倂示出。又，將 自由磁性層的磁化反轉磁場作爲tL、H2，則 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) d 表8 試料編號 鐵磁性材料M-X MR(%) He (〇e) Hint (〇e) (mum) h〇i [Feo.65Nio.35] 100 25 45 30 h02 [Feo.65Nio.35] 98 Mll2 38 21 5 h03 [Fe〇.65Ni〇.35] 92 ΜΠ8 37 16 4 h04 [Fe〇.65Nl〇.35] 86 ΜΠ14 34 15 6 h05 [Fe〇.65Ni〇.35] 75 Mll25 36 14 7 h06 [FC〇.65Ni〇.35]99 Cn 31 19 6 h07 [Fe〇.65Ni〇.35]92 Crs 36 14 5 h08 [Fe〇.65Ni〇.35] 80 Cn〇 30 16 4 h09 [Fe〇.65Ni〇.35]94 v6 34 13 6 hlO [Fe〇_65Ni〇.35]95 Pt5 44 16 8 hll [Fe〇.65Nl〇.35]90 Pdio 41 19 6 M2 [Fe〇.65Ni〇.35]92 Irs 40 14 4 hl3 [Fe〇.65Nl〇.35] 88 Rhi2 42 15 5 hl4 [Fe〇.65Nl〇.35] 84 Rui6 38 18 2 . 線· 如表8所示般，若使用鐵磁性材料M-X ’則可得到較 習知例大的MR比，且積層鐵氧體自由層的保磁力(He)及 ____ 40 ____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） l22263〇 A7 —^ _B7____ 五、發明說明（4 ) .---7 J------€·! (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 零磁場起之轉移磁場(Hint)可大幅減低。若使用上述鐵磁性 材料，則可得到具有30%以上的MR，與25免以下的He及 10化以下的Him之元件。如此般，鐵磁性材料M-X的使用 ，於軟磁性特性的提高方面亦甚有效。又，若Hint小，於 磁頭的場合，可改善再生輸出的對稱性，於磁性記憶體的 場合，可改善寫入用電流磁場的對稱性。因而，可使元件 的設計變得容易，並使消耗電力減低。HC及Hint的減低， 據推測係由於鐵磁性材料M-X與A1-0穿隧層的接合界面 ，在原子層級變佳，而使自由磁性層的軟磁性特性提高。 (實施例9) 附有熱氧化膜之Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/鐵磁性材料 M-X(5)/Al-0(1.0)/Co(3)/Ru(0.7)/Co(3)/ Ir-Mn(20)/Ta(25) 線-
Al-〇，係以與實施例1同樣的作法製作。進一步與實 施例1同樣地加工成台面型，並形成作爲上部電極的 Cu(50)/Ta(3)。接著，於280°C、10ki?e磁場中施行熱處理3 小時，對If-Mn賦予一方向異向性。試料的元件面積作成 2.5 // m X 4 // m 〇 此MR元件，係積層鐵氧體固定層旋球型TMR元件， 於自由磁性層3中係使用鐵磁性材料M-X。 此處’亦製作出鐵磁性材料M-X具有組成的梯度之元 件。具體而言，係藉由下述的3種方法來形成鐵磁性材料 M-X。 作成法①：讓磁性元素Μ與非磁性元素X以兩元素的 成膜速率保持一定下來同時進行濺鍍。 41 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱1 ^ I η-Λ- 1222630 A7 ___B7 _______ 五、發明說明（ή ) 作成法②··讓磁性元素Μ與非磁性元素X以兩元素的 成膜速率隨著時間而變化下來同時進行濺鍍。 作成法③：使磁性元素Μ與非磁性元素X交互進行濺 鍍。 惟，無論是依據哪種方法，鐵磁性材料Μ-Χ的組成， 係以在全膜厚範圍中爲相同(Fe85Pt15)之方式加以調整。就此 元件的MR比，以與實施例1同樣的作法加以調查。結果 示於表9。 表9 試料編號 Fe-Pt作成法 MR(%) (習知例）i〇l 將Fe以通常的濺鍍法成膜 28 i02 使Fe與Pt的成膜速率爲一定來作成之同時濺鍍 (作成法①） 45 i03 使Fe的成膜速率爲一定，Pt的成膜速率則隨著成 膜時間而徐徐上昇來作成之同時濺鍍 (作成法②） 42 i04 使Fe的成膜速率爲一定，Pt的成膜速率則隨著成 膜時間而徐徐下降來作成之同時濺鑛 (作成法③） 43 i05 使Fe的成膜速率爲一定，Pt的成膜速率則於成膜 時間的中間的時間作上昇來作成之同時濺鍍 (作成法②） 44 i06 使Fe與Pt的膜厚於〇.〇5nm〜lnm的範圍內積層而作 成之交互濺鍍 (作成法③） 44 經由奧格電子分光法（AES)及二次離子質量分析法 (SIMS)施行元素分析之下，確認於實施例i〇3〜i〇5中，鐵磁 性材料Fe-Pt在膜厚方向具有隨成膜速率的比而改變之組 _____42_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ；Λ> ?!·ν. ι ϊ^·Η· 1222630 A7 B7 五、發明說明（V ) 成梯度。實施例i〇6的自由磁性層’則係沿著膜厚方向做 週期性的變化。由表9可知，鐵磁性材料M-X，即使在膜 內非爲均一，亦可使MR比增大。 (實施例10) 附有熱氧化膜之Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Pt -Mn(20)/Co-Fe(3)/Ru(0.7)/Co-Fe(2)/ 鐵磁性材料 M-X(甲 )(1)/Α1-〇(0·7)/鐵磁性材料 M-X(乙）(1)/Ni-Fe(6)/Ta (25) A1-0，係使A1成膜0.7nm之後，使用ICP氧化法製作 。進一步以與實施例1同樣地加工成台面型，形成作爲上 部電極之Cu(50)/Ta(3)。接著，於280°C、lOkife磁場中施 行熱處理3小時，對Pt-Mn賦予一方向異向性。試料的元 件面積係作成2.5 // m X 3.5 // m。 此MR元件，爲依據圖5的構成之積層鐵氧體固定層 旋球型TMR元件，於固定磁性層1的一部份係使用鐵磁性 材料M-X(甲），於自由磁性層3的一部份係使用鐵磁性材 料M-X(乙）。自由磁性層係含有Ni_Fe軟磁性層。就此元件 的MR比，以與實施例1同樣的作法加以調查。結果示於 表10。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) % 線· ^斗編號 鐵磁性材料M-X(甲） -—~1—-----— 鐵磁性材料M-X(乙） MR(%) _例）j01 [Fe]i〇〇 —------ [Fe]i〇〇 28 ^_i〇L [Fe]84 Ptl6 ----- [Fe]92 Pds 51 ^_j〇L _[Fe]8〇 Pt2〇_ [Fe]s〇 Rh2〇 44 一 j〇4 [Fe]9〇 Pti〇 fFe]94 Re6 41 ^^ _[Fe]s4 Ptie__ fFejss Run 38 ί 闕家標準（CNS)A4 規格（21() x 297^j^· 1222630 A7 __ B7 五、發明說明（^) 鐵磁性材料Μ·Χ(甲） 鐵磁性材料M-X(乙） (習知例）j〇6 [Fe〇.75C〇〇.25] 100 [Fe〇.2〇Ni〇.8〇]lOO 25 j〇7 [Fe〇.75C〇〇.25]85 Ptl5 [Fe〇.2〇Ni〇.80]95 Pt5 52 j〇8 [Fe〇.75C〇0.25] 95 Ρ(^5 [Fe〇.2〇Ni〇.8〇]9〇 Pdio 46 鐵磁性材料M-X(甲） 鐵磁性材料M-X(乙） (習知例）j〇9 [Fe]i〇〇 [Fe〇.l〇C〇〇.9〇]lOO 30 jl〇 [Fe]88 Ptl2 [Fe〇.l〇C〇〇.90]90 PdlO 50 Jll [Fe]86 Pdi4 [Fe〇.i〇Co〇.9〇]94 Rh6 46 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如表10所示般，隔著非磁性層而相對向之磁性層中所 含有的Μ及X即使相異，只要使用鐵磁性材料M-X，則可 得到大的MR比。 (實施例11) 附有熱氧化膜之Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/鐵磁性材料 M-X(5)/Al-0(0.7)/Co-Fe(3)/Ru(0.8)/Co-Fe(3)/Pt-Mn(20)/Ta(25)
Al-Ο,係以與實施例1同樣的作法製作。進一步與實 施例1同樣地加工成台面型，並形成作爲上部電極的 線
Cu(50)/Ta(3)。接著，於280°C、10ki?e磁場中施行熱處理3 小時，對Pt-Mn賦予一方向異向性。試料的元件面積作成 3 // m X 4 // m 〇 此MR兀件，係積層鐵氧體固定層旋球型tmr元件， 於自由磁性層3中係使用鐵磁性材料M-X。就此元件的 MR比，以與實施例1同樣的作法加以調查。進一步，就 MR元件的自由磁性層，用χ射線繞射法及高分解能穿透 型電子頒微鏡就結晶構造加以調查。結果示於表Η。 ____— __44 一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） 1222630 A7 __B7 五、發明說明（ 表11 試料編號 鐵磁性材料M-X MR(%) 結晶構造 (習知例）k01 [Fe]i〇〇 31 bcc k02 [Fe]6〇Pt4〇 57 bcc,fee k03 [Fe]75Pt20〇5 45 bee, fee,微結晶 k04 [Fe]9〇Rei〇 43 bcc,hep,bet k05 [Fe]75Re25 47 bcc,fee 鐵磁性材料M-X (習知例）k06 [Fe〇.4〇Ni〇.6〇]lO〇 26 fee k07 [Fe〇.4〇Ni〇.6〇]85Cri5 45 fee,bcc,bet k08 [Fe〇.4〇Ni〇.60]85Bl5 38 微結晶 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 習知例k01的Fe爲bcc構造，而實施例k02〜k05中之 自由磁性層具有bcc以外的結晶構造，於含有fee之實施例 k02〜k03，得到高的MR比。同樣地，習知例k06的Fe-Ni 爲fee構造，而實施例k07、k08中之自由磁性層爲fee以 外的結晶構造，於含有bee之實施例k07，可得到高的MR 比。實施例k03、k08係含有微結晶，就其平均結晶粒徑加 以解析之下爲l〇nm以下。此等結果，據推測係顯示結晶 構造的變化與自旋極化率的變化之相關情形。又，此處， 於平均結晶粒徑爲10nm以下的場合，其結晶構造係認定 爲微結晶。 (實施例12) •習知例101: 附有熱氧化膜之Si基板/Ta⑶/Cu(50)/Ta(3)/Pt_ Mn(20)/Co-Fe(3)/Ru(0.8)/Co-Fe(3)/Al-0(1.0)/ Ni-Fe(3)/Al-O(1.0)/Co-Fe(3)/Ru(0.8)/Co-Fe(3) /Pt-Mn(20)/Ta(15) _45__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 1222630 A7 B7 五、發明說明u、） •實施例102 = 附有熱氧化膜之Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Pt-Mn(20)/Co-Fe(3)/Ru(0.8)/Co-Fe(l)/Fe-Pt(2)/Al -O(1.0)/Fe-
Pt(3)/Al-〇(1.0)/Fe-Pt ⑵/Co-Fe ⑴ /Ru(0.8)/Co-Fe(3)/Pt-
Mn(20)/Ta(15)
Al-〇，係以與實施例1同樣的作法製作。進一步與實 施例1同樣地加工成台面型，並形成作爲上部電極的 Cu(50)/Ta(3)。接著，於280°C、10k^磁場中施行熱處理3 小時，對Pt-Mn賦予一方向異向性。試料的元件面積作成 2 // m X 3 // m 〇 此元件爲圖7所示之雙旋球型TMR(2重穿隧接合TMR 膜），於實施例102中，於固定磁性層的一部份與自由磁性 層中係使用鐵磁性材料M-X(FePt)〇FePt的組成爲Fe85Pt15 〇 就此元件的MR特性的偏壓依存性，以與實施例1同 樣的作法加以調查。表12中，表示MR比發生半衰減之偏 壓電壓(V〇。對穿隧接合爲1個的元件(參照實施例b04與 習知例b01 ;實施例2)，亦同樣地測定其偏壓電壓(vh)。結 果示如表12。 表12 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 言
T 試料編號 MR比成爲一半之電壓Vh(mV) (習娜 11)101 950 (實施例)1〇2 1800 (習知例)b01 350 (實施例)b04 700 46 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 ____ B7___ 五、發明說明（4) 如表12所示般，不論是2重穿隧接合(實施例102與習 知例101)或是1重穿隧接合(實施例b04與習知例bOl)，若 使用鐵磁性材料M-X，則偏壓電壓(Vh)會大幅提高。因而 ，本發明之MR元件，於實現大容量且高速的MRAM上， 有其優異性。 (實施例13) 附有熱氧化膜之 Si 基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Ni- Fe-Cr(4)/Pt-Mn(20)/Co-Fe(3)/Ru(0.8)/Co-Fe(l) /鐵磁性材料 M-X(3)/Cu(3)/鐵磁性材料 M-X(l)/Ni-Fe (3)/Ta(15) 與實施例1同樣地加工成台面型，並形成作爲上部電 極的Cu(50)/Ta(3)。接著，於280°C、5k你磁場中施行熱處 理5小時，對Pt-Mn賦予一方向異向性。試料的元件面積 作成 0.5 // m X 0.5 // m。 此MR元件，爲依據圖5之積層鐵氧體固定層旋球型 的構成，於非磁性層係使用導電性材料之Cu，係爲所謂之 CPP-GMR元件。於固定磁性層1及自由磁性層3的一部份 ，係使用鐵磁性材料M-X，Ni-Fe軟磁性層則含於自由磁性 層3中。就此元件的MR比，以與實施例1同樣的作法加 以調查。 表13中，顯示元件的電阻變化量（AR)。同時亦顯示 將元件面積作爲l//m2時的電阻變化量。 L______47 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) » 丨線· 1222630 A7 B7 五、發明說明（ 試料編號 鐵磁性材料M-X △ R (mQ) 1 /zm2 時的 AR (mQ · //m2) (習知例）m01 [Fe]i〇〇 1.6 0.40 m02 [Fe]65 Pt35 204 51 m03 [Fe]7〇 Pd30 184 46 (習知例）m04 [Fe〇.l〇C〇〇.9〇]l(X) 2.2 0.55 m05 [Fe〇.l〇C〇〇.90]80 Pt20 212 53 m06 [Fe〇.l〇C〇〇.90]90 Pdio 200 50 如表13所示般，於CPP-GMR元件中，若使用鐵磁性 材料M-X，則電阻變化量增大，而可提高輸出。其理由據 推測係與Fe-Pt與Cu層的自旋依存散亂機率之增大及Fe-Pt 的電阻相對地大有關連。 (實施例14) 用實施例m02、m06及習知例m04之CPP-GMR膜，製 作圖11所示之構造的屏蔽型磁阻效應型磁頭。作爲基板( 圖11中省略)係使用AhCb-TiC基板，記錄用電極38與磁 屏蔽31、35係使用Ni〇.8Fe〇.2鍍敷合金，絕緣膜36係使用 Al2〇3，電極32、34係使用Au。 藉由以軟磁性層施行積層之自由磁性層（鐵磁性材料 M-X(l)/Ni-Fe(3))的容易磁化方向係與受偵測之訊號磁場方 向爲垂直，而附加上反鐵磁性層之固定磁性層（Pt_
Mn(20)/C〇-Fe(3)/Ru(0.8)/C〇-Fe(4)/鐵磁性材料 Μ·Χ(2))的容 易磁化軸的方向係與受偵測之訊號磁化方向成平行的方式 ，對磁性膜賦予異向性。具體而言，係於製作成MR元件 之後，於5k6»e的磁場中在280°C下施行熱處理來規定出固 _ 48 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ;% 線. 不紙诋尺度過用1f _ 1¾豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 ____B7___ 五、發明說明（ 定磁性層的容易磁化方向，進一步，於100^的磁場中在 20(TC下，一邊於和上述方向垂直相交之方向施加磁場，一 邊施行熱處理以規定其自由磁性層的容易磁化軸。 再生部的CPP-GMR元件的軌道寬爲0.1 // m，MR高亦 作成0.1//m。於此等磁頭，流通以作爲感應電流之直流電 流，施加50此的交流訊號磁場，就磁頭的輸出作評價之下 ，由習知例m04並未能得到輸出，而自實施例m〇2、m06 則得到15mV///m以上的輸出。又，自市售的GMR磁頭( 通常的CIP-GMR磁頭)則可得到1.3mV///m的輸出。如此 般，自使用實施例的GMR膜之磁頭，可得到較習知的磁頭 大的輸出。用此磁頭，製作成圖13所示般的構成的HDD ，則可達成100Gbit/in2的面記錄密度。 (實施例15) 用實施例1及2中所製作之實施例a06、b04及習知例 a01、b01的TMR膜，製作成圖12所示之軛型構造的磁阻 效應型磁頭。於上部屏蔽41a及下部屏蔽41b中，係使用 NksFeo.2鍍敷合金。惟，此處，於將下部屏蔽的Ni-Fe施以 CMP硏磨後，在TMR膜方面係與上述實施例相反地以Co-Fe膜(a06、a01的試料的場合)及Ni_Fe膜(b04、b01的試料 的場合)進行成膜，最後再進行Pt-Mn膜之成膜，於其上形 成電極膜(An)。再生磁頭部的元件尺寸係作成0e3//m X 0.3//m。於製作成的磁頭，通以作爲感應電流之直流電流 ，施加約50此的交流訊號磁場，對兩磁頭的輸出作評價。 結果示如表14。輸出之中，實施例a〇6、b04的磁頭輸出， _ 49 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) € -線 1222630 A7 ___：__B7___ 五、發明說明（叫） 係分別爲與習知例a01、b01之相對比較的結果。 表14 試料編號 輸出 (習知例）a01 1.0 a06 2.2 (習知例）b01 1.0 b04 1.9 如表14所示般，自使用實施例的TMR膜之磁頭，可 得到較習知的磁頭大的輸出。 (實施例16) 於CMOS基板上，以圖15所示般的基本構成的記憶體 元件製作成集積記憶體。元件排列，係作成爲以16 X 16 元件的記憶體作爲1區塊之合計爲8區塊。此處，於元件 中，係使用於實施例1中所製作之實施例a07與習知例a01 的TMR兀件。各試料的兀件截面積係作成0.2 // m X 0.3 // m。且，各區塊的1元件，係作成爲用以抵消配線電阻、 元件最低電阻、FET電阻的假性(dummy)元件。又，字元線 及位元線全部使用Cu。 藉由源自字元線及位元線的合成磁場，於8個區塊的 8元件中，使個別的自由磁性層(此場合爲Co-Fe⑶膜)的磁 化反轉同時進行，以每8位元來記錄訊號。然後，使以 CMOS製作之FET的閘極於個別的區塊讓各個元件成爲〇N 狀態，使感應電流流通。此時，將在各區塊內的位元線、 元件、及FET所發生之電壓與假性電壓藉由比較器 (comparator)做比較，自各該元件的輸出電壓來同時讀取8 _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ;% i線· 1222630 A7 _ ._B7_ 五、發明說明（β) 位元的資訊。使用實施例的TMR元件之磁性記憶體的輸出 ，爲使用比較例的TMR元件之場合的約2倍。 於以下的實施例17〜19中，就使用鐵磁性材料Μ-Χ之 MR元件的耐熱性進一步詳加調查。 (實施例17) 附有熱氧化膜之 Si 基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Ni_ Fe-Cr⑷/Pt-Mn(20)/Co-Fe(3)/Ru(0.9)/Co-Fe ⑴ /鐵磁性材料 Μ-X⑵/Α1-〇(1·0)/鐵磁性材料 M-X(2) /Ni-FeO/TadS)
Al-〇，係與實施例1同樣地製作。進一步與實施例1 同樣地微細加工成台面型，於形成作爲上部電極的 Cu(50)/Ta(3)之後，於280°C、5k^磁場中施行熱處理5小 時，對Pt-Mn賦予一方向異向性。試料的元件面積作成丄 // m X 1.5 // m 〇 此MR元件’爲依據圖5的構成之積層鐵氧體固定層 旋球型TMR元件’於固定磁性層1及自由磁性層f的一部 份中係使用鐵磁性材料M-X。自由磁性靥3，係含有Ni-Fe 軟磁性層。鐵磁性材料M-X的組成，係作成如下3述者。爲 比聿父起見’亦製作出使用Fe、Fe-Co代替鐵磁性材料 之元件。 表15 (~請先閱tt-背面之注意事項再填寫本頁) 龜 訂. -線· 試料編號 鐵磁性材料^ (習知例） n01 Fei〇〇 n02 "1—---- [Feo.25COo.75] 100 n03 n04 [Fe〇.i〇CO〇.9〇]9〇 ____51__ 本紙張瓦度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐1 ^ 1222630 A7 B7 五、發明說明（1) n05 [Fe〇.7〇Ni〇.30]85 Ptl5 n06 [Fe〇.8〇Ni〇.20]95 Irs n07 [Fe〇.25C〇0.75]75 Pcbs n08 [Fe〇.5〇C〇0_50]88 All2 n09 [Fe〇.9〇C〇0.1〇]92 Res nlO [Fe〇.15C〇0.85]94 b6 nil [Fe〇.2〇C〇0.80]87 Cl3 爲了就旋球型TMR元件的耐熱性加以調查，乃於無磁 場中施行真空熱處理(1 Xl(T6Torr以下）至到450t。溫度 曲線係如下述者。首先，以2小時的時間由室溫昇溫至目 標的熱處理溫度，於到達目標的熱處理溫度後，使其維持 1.5小時，再以約5小時的時間降溫至室溫。熱處理之後， 就此元件的MR特性以與實施例1同樣的作法加以調查。 圖18中，顯示出與熱處理溫度相關的規格化MR比 (MR(T)/MR(280°C))。此處，MR(T)，係熱處理溫度爲 T°C 之熱處理後的MR比，MR(280t)，係爲了對Pt-Mn賦予一 方向異向性而於280°C、5k^下施行5小時熱處理後之MR 比。又，於圖19中，顯示對使用Fe-Pt作爲鐵磁性材料M-X之上述元件(n03)之Pt含有量之規格化MR比。圖19中 ，最小添加量爲0.05原子％。 如圖18所示般，相對於習知例中於熱處理溫度上昇之 同時MR比急遽地減小，於實施例中則可得到優異的熱安 定性。又，由圖19可知，Pt含有量若超過60%，則熱安定 性會急遽地喪失。又，如圖19所示般，藉由微量的Pt的 添加，尤其可使對於高溫下之熱處理之安定性提高，Pt含 有量(X1)宜爲0.05%以上，而以1%以上爲佳，尤以5%以上 52 —---------—I —^訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 表16 A7 B7 五、發明說明（C〇 更佳。Pt的含有量若作成1〜60%，則至45(TC的熱處理， MR比的降低成爲20%以下。 (實施例18) 附有熱氧化膜之 Si 基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Pt 固定磁性層/Al-N-〇(1.0)/Ni-Fe(5)/ Ta(15 )
Al-N-0，係使A1成膜l.Onm之後，在含有氧氣及氮氣 之環境下使用ICP氮氧化法製作。於上述的膜之製作後， 於260°C、5k^磁場中施行熱處理5小時，對pt_Mn賦予 一方向異向性。進一步與實施例1同樣地將膜加工成台面 型，並形成作爲上部電極的Cu(50)/Ta(3)。試料的元件面積 作成 〇_5/zm x〇.2//m。 此MR元件，係依據圖2的構成之積層鐵氧體固定層 旋球型TMR元件，作爲固定磁性層1，如表16所示般， 係使用鐵磁性材料M-X/非磁性層/鐵磁性材料M-X所構成 之積層鐵氧體固定層，或單層或者2層的固定磁性層。 試料編號 固定磁性層 (習知例）P〇l [Fe〇.7〇Co〇.3〇] i〇〇(3)/Ru(0.8)/[Fe〇.7〇Co〇.3〇] i〇〇(3) p02 [Fe〇.7〇C〇〇.3〇]75Pt25(3)/Ru(0.8)/[Fe〇.7〇C〇0.3〇]75Pt25(3) p03 rFe〇.7〇C〇〇.3〇]65Pt35(3)/Ru(0.8)/[Fe〇.7〇C〇〇.3〇] 10〇(3) p04 [Co]9〇Pdi〇(2.5)/Ru(0.7)/[Co]7〇Pd3〇 ⑶ p05 [Fe]9〇Pti〇(2.5)/Cr(0.9)/[Fe]9〇Pti〇(3) p06 [Fe]7〇Irs〇(2)/Co(l)/Ru(0.8)/Co(l)/[Fe]7〇Ir3〇(2) (習知例）P〇7 [Fe〇.7〇Ni〇.3〇]i〇〇(5) p08 [Fe〇.7〇Ni〇.3〇]9〇Cri〇(5) p09 [Fe〇.7〇Ni〇.3〇]9〇Cri〇 ⑵/[Fe〇.7〇Ni〇.3〇]95Mn5 ⑶ plO [C〇]9〇PtlO ⑷ 53 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —一-------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1222630 A7 Β7 五、發明說明（<\ )
Jil pl2 pl3 pl4 [Ni]92Rh8 ⑶ [Fe]7〇Pt3〇(5) [Fe25C〇7s] i〇〇( 1 )/[Fe]85Pdis(5) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) [FeQ.7〇Ni〇.3〇]86RUl4(2)/ [FeO.7oNio.3o] 10〇(3) 基板爲左側者。 括弧內的數値表示膜厚’單位爲nm。 接著，對所製作之元件在磁場中施行熱處理至450°c 之後，以與實施例1同樣的方法就MR特性加以調查。結 果示如圖20及圖21。 如圖20所币般，於構成積層鐵氧體固定層之一對的磁 性膜之至少一方若使用鐵磁性材料M-X，則元件的安定性 可增高。尤其是，至少於穿隧絕緣層側的磁性膜中，使用 上述鐵磁性材料之場合(ρ02、ρ04〜p06) ’熱安定性可大幅提 局。於積層鐵氧體固定層的非磁性層(Ru)的界面插入Co合 金(界面磁性層)之隔著Ru之磁性層的反鐵磁性交換結合獲 得提昇之元件p06，亦可得到優異的熱安定性。 如圖21所不般，使用2層構成的磁性層作爲固定磁性 層，於其1層中使用鐵磁性材料M-X之場合，熱安定得以 提高。 (實施例19) 附有熱氧化膜之Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/自由磁性層 /Al-0(0.8)/Co-Fe(2.5)/Ru(0.8)/Co-Fe (2.5)/Pt-Mn(15)/Ta(15) A1_〇，係以與實施例1同樣的作法製作。於製作成上 述的膜之後，於280°C、磁場中施行熱處理3小時， 對Pt-Mn賦予一方向異向性。進一步與實施例丨同樣地將 54 、 t· 格 規 4 A 1/ η IN J l\ 干 y/ 1222630 A7 B7 五、 發明說明Uv) 各層膜微細加工成台面型，並形成作爲上部電極的Cu(50)/ Ta(3)。試料的元件面積作成0.1/zm X0.2//m。此處，作 爲自由磁性層，係使用表17之q01〜Q08所示之單層膜或多 層膜。於室溫下測定此元件的磁電阻，調查當時的自由磁 性層的保磁力(He)。結果一倂示於表17 表17 試料編號 自由磁性層 He (〇e: (習知例）q〇l [Fe〇.2〇Ni〇.80] 100 ⑶ 98 q02 [Fe〇.2〇Ni〇.80]85Ptl5 ⑶ 60 q03 [Fe〇.2〇Ni〇.80] 100(2)/[Fe〇.2〇Ni〇.80]85Ptl5( 1) 62 q04 [Fe〇.2〇Ni〇.8〇] 85Ptl5( 1 )/[Fe〇.2〇Ni〇.8〇] 10〇(2) 63 (習知例）q05 [Fe〇.2〇Ni〇.8〇] i〇〇(2)/Ru(0.8)/[Fe〇.2〇Ni〇.s〇] i〇〇(3) 74 q06 [Fe〇.2〇Ni〇.8〇] i〇〇(2)/Ru(0.8)/[Fe〇.2〇Ni〇.8〇]7sPt25(3) 51 q07 [Fe〇.2〇Ni〇.8〇]75Pt25(2)/Ru(0.8)/[Fe〇.2〇Ni〇.8〇]75Pt25(3) 50 q08 [Fe〇.2〇Ni〇.8〇]75Pt25(2)/Ru(0.8)/ [Fe〇.2〇Ni〇.8〇] i〇〇(3) 48 基板爲左側者。 括弧內的數値表示膜厚，單位爲nm。 接著，對所製作之元件在磁場中施行熱處理至400°C 之後，以與實施例1同樣的方法就MR特性加以調查。結 果示如圖22。 如此般，於自由磁性層中使用鐵磁性材料M〇((Fe NiPt)者，其自由磁性層的軟磁性特性與MR比可大幅改善 之事可得以確認。 (實施例20) 於附有熱氧化膜之Si基板上，使用多元磁控濺鍍法， 55 &本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I I I I I 訂 1 請 先 閲 讀 背 面 之 注 意 事 項 4 % 本 t λ
1222630 A7 _____B7__ 五、發明說明（A) 製作成下述的試料，就其MR特性及耐熱性加以調查。 附有熱氧化膜之Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/自由磁性層 (4)/Α1-〇(0·8)/固定磁性層/Ir-Mn(20)/Ta (15) A1-0，係以與實施例1同樣的作法製作。進一步與實 施例1同樣地將各層膜微細加工成台面型，並形成作爲上 部電極的Cu(50)/Ta(3)。接著，於28(TC、5k^磁場中施行 熱處理5小時，對k-Mn賦予一方向異向性。試料的元件 面積作成〇.5//m Xl//m。此MR元件，係有著依據圖2 之TMR元件的構成。此處，如表18所示般，以含有鐵磁 性材料M-X之各種的固定磁性層來製作MR元件，就耐熱 性加以調查。又，於表18中之r01、r05的自由磁性層係使 用Fe〇.8Ni〇.2，其他試料的自由磁性層中係使用[Fe〇.8Nk2]7〇Pt3〇 。用以調查耐熱性之熱處理，係在5k免的磁場中施行真空 熱處理，保持於目的的各溫度下5小時之後，在室溫下測 定磁電阻。圖23中顯示MR比的熱處理溫度依存特性。 表18 試料編號 固定磁性層 (習知例）r01 [Fe〇.25C〇〇.75] 100 ⑷ r02 [Fe〇.5〇C〇〇.50]95Pt5 ⑷ r03 Co(l)/[Fe〇.7〇Ni〇.3〇]85Pti5(1.5)/Co(2) r04 Co(2)/[Fe]75Pt25(2) (習知例）r05 Co(3)/Ru(0.8)/Co(3) r06 [Fe]85Pt15(2.5)/Co(l)/Ru(0.8)/Co ⑶ r07 [Fe〇.7Co〇,3]9〇Pti〇(2)/Co(0.5)/Ru(0.8)/Co(2.5) r08 [Fea8Ni〇.2]85Ptu)Pd5(2)/Co(l)/Ru(0.8)/Co ⑷ r09 [Fe〇.75Ni〇.25]8〇Pt2〇 ⑵/Co ⑴版似 ^ 56 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------in--I I ^ · I------- (請先閱_讀背面之注意事項再填寫本頁) 試料編號 積層鐵氧體固定層 (習知例）s01 Co(3)/Ru(0.8)/Co(3) s02 [Co]9〇Pti〇(3)/Ru(0.8)/[Co]9〇Pti〇(3) s03 [Fe]7〇Pb〇(2.5)/Cr(0.9)/[Fe]7〇Pt3〇(3) s04 Co(3)/Ru(0.8)/Co(2.5)/[Fe]85Vi5(0.5) s05 [Fe]5〇Pt5〇(l)/Co(2)/Ru(〇.8)/Co(2)/[Fe]9〇Pti〇(l) 基板爲左側者。 1222630 A7 __ _B7 _ 五、發明說明（許） 基板爲左側者。 括弧內的數値表示膜厚，單位爲nm。 (實施例21) 於附有熱氧化膜之Si基板上，使用多元磁控濺鍍法， 製作成下述的試料，就其MR特性及耐熱性加以調查。 附有熱氧化膜之Si基板/TaGVCuGOVTaGVCr (4)/積層 鐵氧體固定層/Al-N(1.0)/Co-Fe(l)/Ni-Fe(3)/Ta(15) 此處’ A1-N的膜厚(1.0)，係表示氮化處理前的設計膜 厚的合計値。A1-N，係經由ICP氮化法製作。進一步與實 施例1同樣地將各層膜微細加工成台面型，並形成作爲上 部電極的Cu(50)/Ta(3)。試料的元件面積作成2/zm X4//m 。此MR元件，其固定磁性層係如表19所示之積層鐵氧體 ，自由磁性層係Co-Fe/Ni-Fe的2層膜。將MR元件施行由 室溫至450°C之在無磁場中的熱處理，就MR比的耐熱性加 以調查。磁電阻測定，係於各處理後在室溫下施加最大爲 500^的磁場而施行。圖24，係顯示相對於熱處理前的MR 比之熱處理後的MR比之熱處理溫度依存性。 表19 57 紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---— — — — —— —--*-------^ I I--I I I I ~ (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) ! 54· 1222630 A7 ^_._B7 __ 五、發明說明（θ) 括弧內的數値表示膜厚，單位爲nm。 (實施例22) 於附有熱氧化膜之Si基板上，使用多元磁控濺鍍法， 製作成下述的試料，就其MR特性及耐熱性加以調查。 附有熱氧化膜之 Si 基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Ni- Fe-Co(4)/Pt-Mn(15)/Co-Fe(2)/固定磁性層 1/A1-0 (1.0)/自由磁性 層/Α1-〇(1·0)/固定磁性層 2/Co-Fe(2) /Pt-Mn(15)/Ta(15)
Al-〇的成膜法係與實施例1相同。於製作成上述的膜 之後，於280°C、5k6»e磁場中施行熱處理3小時，對Pt-Mn 賦予一方向異向性。進一步與實施例1同樣地加工成台面 型，並形成作爲上部電極的Ta(5)/Pt(10)/Cu(50)/Ta⑶。試 料的元件面積作成0.5 // m X 0.3 // m。 此元件爲圖6中所示之雙旋球型TMR元件。上述膜之 構成中，使用於固定磁性層1、2中及使甩於自由磁性層中 之磁性膜如表20所示。 --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 表20 試料編號 固定磁性層1，2 自由磁性層 輸出 (mV) (習知例）toi Fe〇.3Co〇.7 ⑵ Fe〇.4Ni〇.6(3) 70 t02 [Fe〇.2〇Ni〇.80]85Ptl5 ⑵ [Fe〇.2〇Ni〇_80]75pt25 ⑶ 270 t03 [Fe〇_5〇C〇〇.50]9〇PtlO ⑵ [Fe〇.4〇Ni〇.60]65Pt35 ⑶ 234 輸出爲於400°C熱處理之後施加IV電壓之時的輸出 於製作成台面型的TMR元件之後，在5k^的磁場中 於280°C〜400°C中各溫度下施行熱處理1小時。熱處理後， 於室溫下，測定磁電阻及I-V特性。圖25中顯示在各熱處 58 紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） hh 1222630 A7 _____B7 ___ 五、發明說明（4 ) 理溫度之MR比。又，於表20中，顯示於400°C熱處理之 後對元件施加IV的偏壓電壓時的輸出。如圖25所示般， 於雙旋球型TMR元件中，使用鐵磁性材料M-X之場合， MR特性的安定型之提高亦可得以確認，而且，可提供於 400°C熱處理之後亦可維持高輸出之元件，亦得以確認。 依據本發明，與習知的元件相比較，可提供能實現較 大的MR比且耐熱性優異的MR元件。若使用本發明之MR 元件，可使得磁阻效應型磁頭、使用該磁頭之磁性記錄裝 置、高密度磁性記憶體(MRAM)等之磁性裝置的特性得以改 善。 元件符號說服 —I-----1————訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1,5 固定磁性層 2,4,9 非磁性層 3 自由磁性層 8,8a，8b 反鐵磁性層 11 第1磁性膜 11，13，14，15,51，53,54,55 積層鐵氧體固定層 12,13 第2磁性膜 14 非磁性膜 15 第3磁性膜 21 基板 22 下部電極 23 MR元件 24 上部電極 59 奈紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1222630 A7 B7 層間絕緣膜 磁性膜、磁屏蔽 軟磁性膜 電極 MR元件部 上部屏蔽 絕緣膜 捲線部 記錄用電極 軛 下部屏蔽 上部導線 MR元件 位元線 字元線 切換元件 整流元件 磁頭 支撐臂 驅動部 訊號處理部 磁性記錄媒體 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明說明（Λ) 25 31 32 32 33,43 35 36 37 38 41a 41b 44 61 62 63 64 65 71 72 73 74 75 60 ，杏紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1222630 -Sr iL· # Μι 六 ^ 93. 4. 14 、申請專利範it一3™—5——旦 1. 一種磁阻效應元件，係含有透過至少1層非磁性層 來積層至少2層磁性層而成的多層膜，且電阻値係依該至 少2層磁性層之磁化方向的相對角度而變化；其特徵在於 該磁性層中至少1層係含有由通式MuKKaXa所表示之鐵 磁性材料M-X ; 其中，Μ爲選自Fe、Co及Ni中之至少1種元素，X 係以通式來表示，X1爲選自Cu、Ru、Rh、Pd、 Ag、〇s、Ir、Pt及Au中之至少1種元素，X2爲選自A1、 Sc、Ti、V、Cr、Μη、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta 、W、Re、Zn及鑭系元素中之至少1種元素，X3爲選自Si 、B、C、N、〇、P及S中之至少1種元素，a、b、c及d 分別爲可滿足下述式子： 0.05^a^60 60 0^c^30 0^d^20 a=b+c+d 之數値； 非磁性層係由絕緣性材料所構成。 2. 如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，絕 緣性材料係選自A1的氧化物、氮化物及氮氧化物中之至少 1種。 3·如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，係進一步 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公愛） .................. (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 、言 1222630 六、申請專利範^^~^——E]j 含有用以使電流垂直流過膜面之一對的電極層。 4. 如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，鐵 磁性材料M-X沿著厚度方向具有組成梯度。 5. 如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，鐵 磁性材料M-X所具有之結晶構造，係與由Μ所構成之材料 在常溫常壓下優先地生成之結晶構造相異。 6·如申請專利範圍第5項之磁阻效應元件，其中，相 異的結晶構造係含有選自fee及bcc中之至少一者。 .7.如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，鐵 磁性材料M-X係由2種以上的相異之結晶構造的混晶所構 成。 8. 如申請專利範圍第7項之磁阻效應元件，其中，鐵 磁性材料M-X，係含有選自fee、fet、bee、bet及hep中之 至少2種之混晶。 9. 如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，鐵 磁性材料M-X係結晶質。 10. 如申請專利範圍第9項之磁阻效應元件，其中，鐵 磁性材料M-X係由平均結晶粒徑10nm以下的柱狀晶所構 成。 11. 如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，Μ 係由通式Fe^CopNiq所表示者； 其中，P及Q分別爲可滿足下述的式子 0<ρ<1 0<q^0.9 2 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 χ 297公爱） .....................................訂................Μ0 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1222630 A8 B8 C8 D8 .正替換 申請專利安rfr— 14 曰 P + Q<1 之數値。 12. 如申請專利範圍第11項之磁阻效應元件，其中，q 爲可滿足0<q$0.65之數値。 13. 如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，Μ 係由通式Fe^Niq所表示者； 其中，q爲可滿足下式 0<q^0.95 之數値。 14. 如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，Μ 係由通式Fei.PCoP所表示者； 其中，P爲可滿足下式 0<p^0.95 之數値。 15. 如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，X 係選自 V、Cr、Mn、Ru、Rh、Pd、Re、〇s、Ir 及 Pt 中之 至少1種的元素。 16. 如申請專利範圍第15項之磁阻效應元件，其中，X 係Pt，a爲滿足下式 0.05^a^50 之數値。 17. 如申請專利範圍第15項之磁阻效應元件，其中，X 係Pd、Rh或Ir，a爲可滿足下式 0.05^a^50 ...................................-IT---............. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐) 1222630 f正替換頁· 14 A8 B8 C8 D8 申請專 日 之數値。 (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 18. 如申請專利範圍第15項之磁阻效應元件，其中，X 係選自 V、Cr、Mn、Ru、Rh、Pd、Re、〇s、Ir 及 Pt 中之 至少2種的元素。 19. 如申請專利範圍第18項之磁阻效應元件，其中，X 爲以PuRe。所表示者，其中，b及c爲可滿足下述的式子 0<b<50 0<c^20 a=b+c 0.05^a^50 之數値。 20. 如申請專利範圍第18項之磁阻效應元件，其中，X 爲以PtbiPdb2所表示，其中，匕及b2爲可滿足下述的式子 0<bi<50 0<b2<50 a=bi+b2 0.05<a<50 之數値。 21. 如申請專利範圍第18項之磁阻效應元件，其中，X 爲以RhbJrb2所表示，其中，匕及b2爲可滿足下述的式子 0<bi<50 0<b2<50 a=bi+b2 0.05<a<50 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐) 1222630 Α8 Β8 C8 D8 ΒίΙ 六、申請專评 之數値。 22.—種磁阻效應記憶體元件，其特徵在於，係含有： 申請專利範圍第1項之磁阻效應元件；用以將資訊記錄到 該磁阻效應元件的資訊記錄用導體線；及用以讀取該資訊 的資訊讀取用導體線。 .......................#衣·..............1Τ................ (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
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