磁阻元件、其制造方法和磁传感器技术

本发明专利技术提供一种磁阻元件，其具有：磁化方向在外部磁场中改变的磁化自由层；磁化方向在外部磁场中固定的磁化固定层；以及设置在磁化自由层和磁化固定层之间且表现出磁阻效应的势垒层。势垒层为包含Mg和Al的合金的氧化物，且所述势垒层包括结晶区和非结晶区。

Magnetoresistive element, its manufacturing method and magnetic sensor

The invention provides a magnetoresistive element, which has: a magnetized free layer whose magnetization direction changes in an external magnetic field; a magnetized fixed layer whose magnetization direction is fixed in an external magnetic field; and a barrier layer which is arranged between the magnetized free layer and the magnetized fixed layer and exhibits magnetoresistance effect. The barrier layer is an oxide containing Mg and Al alloys, and the barrier layer includes crystalline and amorphous regions.

【技术实现步骤摘要】
磁阻元件、其制造方法和磁传感器
本申请基于并要求2017年11月13日提交的日本申请No.2017-217986的优先权，且基于并要求2018年8月30日提交的JP申请No.2018-161738的优先权，其全部内容通过参考并入此文。本专利技术涉及磁阻元件、其制造方法和磁传感器，并且具体地涉及磁阻元件的势垒层的构造。
技术介绍
在具有磁阻元件的磁传感器中，磁阻元件形成为CIP(平面内电流)-GMR(巨磁阻)元件、AMR(各向异性磁阻)元件等等。JP5294043、JP5586028和JP5988019公开了使用TMR(隧道磁阻)元件的磁阻元件，其中TMR元件表现相对较高的MR比。使用TMR元件的磁阻元件通常被构造为多层膜，该多层膜包括磁化方向根据外部磁场改变的磁化自由层、磁化方向相对于外部磁场被固定的磁化固定层，以及设置在磁化自由层和磁化固定层之间且表现磁阻效应的势垒层。势垒层通常由金属氧化物，特别是能够获得超过100％的高MR比的MgO构成。
技术实现思路
通常来说，磁传感器的电阻须保持在预期范围内。在使用TMR元件的磁传感器中，电路的电阻主要由TMR元件的隧道电阻决定。因此，在制造过程中准确地控制TMR元件的隧道电阻值是重要的。通过利用溅射来沉积Mg膜然后通过氧化Mg膜可形成由MgO构成的势垒层。然而当氧化时，Mg膜倾向于在其表面形成钝化性且使得Mg膜内部未充分氧化。TMR元件的电阻可以通过指数来估算，该指数是势垒层的膜厚度、势垒层的隧道势垒高度等的函数。隧道势垒高度根据材料而可变且其根据例如保留在势垒层内部的未充分氧化Mg的比例而大幅改变。因此，隧道势垒高度由于制造过程的变化而改变，并因此，通过隧道势垒高度的指数来估算的TMR元件的电阻也大幅改变。由于TMR元件在晶片过程中制造的，Mg膜氧化中的变化导致TMR元件的电阻中的晶片级变化。这成为了磁传感器产量和质量控制上的大问题。本专利技术旨在提供具有高MR比的磁阻元件和具有减小的电阻变化的势垒层。本专利技术的磁阻元件包括：磁化自由层、磁化固定层和势垒层，该磁化自由层的磁化方向在外部磁场中变化，该磁化固定层的磁化方向在外部磁场中固定，该势垒层设置在磁化自由层和磁化固定层之间且表现出磁阻效应。势垒层为包含Mg和Al的合金的氧化物，且势垒层包括结晶区和非结晶区。包含Mg和Al的合金膜相比Mg膜在膜内部中更易被氧化。这意味着氧化中更高的重复性及晶片间更小的改变。此种势垒层包括结晶区和非结晶区。因此根据本专利技术，能够提供具有高MR比的磁阻元件和具有减小了的电阻变化的势垒层。本专利技术的上述和其它目标、特征以及优点在表示本专利技术的实施例的参考附图的下列描述中说明。附图说明图1为根据本专利技术的实施例的磁阻元件的示意透视图；图2为示出势垒层中氧化状态的示意图；图3A至图3C为示出实施例的MTJ的制造过程的示意图；图4为示出氧暴露和RA之间关系的曲线图；图5为示出归一化RA和归一化MR比之间关系的曲线图；图6为示出氧暴露和归一化MR比之间关系的曲线图；图7为示出Al的原子百分比和归一化RA之间关系以及Al的原子百分比和归一化MR比之间关系的曲线图；图8为示出Al的原子百分比和结晶区的体积比之间关系的曲线图；图9为示出结晶区的体积比和归一化RA之间关系以及结晶区的体积比和归一化MR比之间关系的曲线图；以及图10为Z轴磁传感器的示意透视图。具体实施方式下文中，将参考附图描述本专利技术的磁阻元件的实施例。在以下描述中，X方向是磁阻元件检测磁场的方向。Y方向与X方向正交。X方向和Y方向平行于磁阻元件的安装表面。Z方向与X方向和Y方向正交且对应于组成磁阻元件的多个层堆叠的方向。图1为示意性地示出磁阻元件的配置的截面图。磁阻效应元件1具有MTJ(磁性隧道结)2和在Z方向上插入MTJ2的一对引线电极3、4。MTJ2具有磁化自由层24、磁化固定层22和势垒层23，势垒层23被插入在磁化自由层24和磁化固定层22之间且具有磁阻效应。因此，根据本实施例的磁阻元件1是TMR元件。磁化自由层24由例如CoFe的软磁体形成，且磁化方向根据在包括X方向和Y方向的平面内的外部磁场而改变。在本实施例中，磁化自由层24由第一磁化自由层24a和第二磁化自由层24b构成，其中第一磁化自由层24a由CoFe形成，第二磁化自由层24b由CoFeB形成。磁化自由层24在Y方向上比X方向上充分更长，且当没有外部磁场或仅有弱外部磁场时由于其形状各向异性，所述磁化方向指向Y方向。由硬磁体形成的偏磁层可相对于Y方向设置在磁化自由层24两侧上，以使磁化方向指向Y方向。磁化固定层22的磁化方向相对于外部磁场固定。磁化固定层22为多层膜，其中第一磁化固定层22a、非磁性中间层22b、第二磁化固定层22c和面向势垒层23的薄CoFe层22d按次序堆叠。相比于其中第二磁化固定层22c直接连至势垒层23的布置，可通过提供CoFe层22d以增强MR比。也可省略CoFe层22d。第一磁化固定层22a和第二磁化固定层22c由例如CoFe的软磁体形成，并且非磁性中间层22b由Ru、Rh、Ir或其合金形成。第一磁化固定层22a和第二磁化固定层22c经由非磁性中间层22b彼此反铁磁地耦合。反铁磁层21设置在第一磁化固定层22a之下。反铁磁层21由IrMn等形成且交换耦合于第一磁化固定层22a。磁化自由层24被由Ta等形成的保护层25覆盖。经由CoFe层22d与势垒层23相邻的第二磁化固定层22c、第二磁化自由层24b或者第二磁化固定层22c和第二磁化自由层24b两者包含Co和Fe，并且可进一步包含Si、B、N和P中的至少任一种。通过添加Si、B、N和P中任一种可进一步增强MR比。此外，第二磁化固定层22c和第二磁化自由层24b通过在制造过程中退火来结晶。期望至少第二磁化固定层22c的与第二磁化固定层22c和CoFe层22d之间的边界相邻的一部分结晶，以便形成从该部分到CoFe层22d的周期连续性的原子排列。也期望第二磁化自由层24b和第一磁化自由层24a之间的边界部分以同样方式结晶。进一步地，也期望CoFe层22d和势垒层23之间的边界部分及第一磁化自由层24a和势垒层23之间的边界部分结晶。此种结晶增强MR比。引线电极3、4供应感应电流至MTJ2。当磁化自由层24的磁化方向和磁化固定层22的磁化方向彼此反向平行时，MTJ2对感应电流的电阻最大化并且流经MTJ2的电流最小化。另一方面，当磁化自由层24的磁化方向和磁化固定层22的磁化方向彼此平行时，MTJ2的电阻最小化并且流经MTJ2的电流最大化。因此，根据MTJ2的电阻的变化(电压的变化)可检测外部磁场的强度和方向。势垒层23是包含Mg和Al的合金的氧化物。所述合金由Mg和Al构成，但可包含Zn和/或Ti以代替或补充Mg。此配置阻止了氧化过程(之后描述)中产生的Mg的钝化性，且促进了势垒层23的多晶体和无定形的混合物的形成(之后描述)。相比之下，常规的势垒层由例如能够获得高MR比的MgO形成。将会给出关于由MgO形成的势垒层的问题的说明。可以通过氧化由溅射而沉积的Mg膜或通过由溅射而直接沉积MgO来形成MgO势垒层。前者可生产具有电压电阻高稳定性的TMR膜，相比于由溅射而直接沉积MgO的方法在这一点上更为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁阻元件，其中，包括：磁化自由层，其磁化方向根据外部磁场而改变；磁化固定层，其磁化方向相对于所述外部磁场被固定；以及势垒层，其被设置在所述磁化自由层和所述磁化固定层之间并且表现出磁阻效应，其中所述势垒层是包含Mg和Al的合金的氧化物，并且所述势垒层包括结晶区和非结晶区。

【技术特征摘要】
2017.11.13 JP 2017-217986;2018.08.30 JP 2018-161731.一种磁阻元件，其中，包括：磁化自由层，其磁化方向根据外部磁场而改变；磁化固定层，其磁化方向相对于所述外部磁场被固定；以及势垒层，其被设置在所述磁化自由层和所述磁化固定层之间并且表现出磁阻效应，其中所述势垒层是包含Mg和Al的合金的氧化物，并且所述势垒层包括结晶区和非结晶区。2.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述合金由Mg和Al组成。3.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述合金进一步包含Zn或Ti或者Zn和Ti两者。4.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述势垒层中所述结晶区的体积比为75％以上且90％以下。5.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述合金中Al的原子百分比为30％以上且75％以下。6.根据权利要求5所述的磁阻元件，其中，所述合金中Al的原子百分比为40％以上且60％以下。7.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述磁化自由层和所述磁化固定层包含Co和Fe，并且进一步包含Si...

【专利技术属性】
技术研发人员：本间康平，三浦聪，
申请(专利权)人：TDK株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP