穿隧磁阻元件及其制造方法技术

本发明专利技术提供了穿隧磁阻元件及其制造方法。通过对第一钉扎磁层进行平滑处理而使得非磁性中间层变得平滑，可获得磁阻元件中的第一钉扎磁层与第二钉扎磁层之间的稳定反铁磁交换耦合。通过顺次层叠底层、反铁磁层、第一钉扎磁层、非磁性中间层、第二钉扎磁层、隧道势垒层、自由磁层以及保护层来制造所述磁阻元件。在将所述非磁性中间层层叠在所述第一钉扎磁层上之前对所述第一钉扎磁层进行平滑处理。通过使得隧道势垒层变得平滑，即使当厚度减小时也能获得稳定磁阻特性。在这种情况下，即使隧道势垒层要求晶体特性也能获得优异的磁阻特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，更具体地涉及穿隧磁阻元 件的膜结构。
技术介绍
为了改善硬盘驱动器(HDD)以使其具有更高容量和更小的尺寸， 需要高灵敏度、高输出的薄膜磁头。甚至巨磁阻(GMR)元件的性能特 性也必须进一步加以改善。为此，正在继续开发穿隧磁阻(TMR)元件， 期望穿隧磁阻元件提供的电阻变化率是GMR元件的电阻变化率的两倍 以上。传统穿隧磁阻元件的薄膜结构在图1中示出。穿隧磁阻元件具有底 层l、反铁磁层2、利用来自反铁磁层2的交换耦合力钉扎住的第一钉扎 磁层3、非磁性层4、用于与第一钉扎层3反铁磁交换耦合的第二钉扎磁 层5、隧道势垒层6、自由磁层7以及保护层8。通常，如图1所示，由于能够容易地形成更薄的反铁磁层，所以经 由非磁性中间层4在第一钉扎磁层3与第二钉扎磁层5之间采用了反铁 磁交换耦合。当利用磁阻元件作为磁头时，使用光刻胶作为掩模，利用 离子研磨工艺来形成元件。因此，如图2所示，元件的截面变成包括锥 形部分9的梯形形状。图2示出从垂直于与介质相对的表面的方向观察的元件的截面。在 此，必须縮窄磁头的芯宽度以实现更高的密度。因此，磁头的芯的宽度 依据限定了芯宽度的自由磁层的宽度是在梯形形状的上边附近的区域处 还是在梯形形状的下边附近的区域处而不同。通常，反铁磁层2层叠于 第一钉扎磁层3的下侧，使得自由磁层7位于上边附近的区域处，以便 实现图2所示的窄 芯宽度。在此，通过将隧道势垒层形成得更薄来降低元件电阻，使得穿隧磁 阻元件能够传递更大电流并且获得更大输出电压。更低的元件电阻也能 防止出现静电击穿。然而，隧道势垒层的厚度是l nm或小于l nm。当形成更薄的隧道 势垒层时，不能确保平滑度，并且在部分隧道势垒层中会产生针孔。当 感生电流流过针孔时，不再能获得高输出。因此，必须形成更薄的隧道 势垒层以获得更高的输出，但隧道势垒层的平滑度对实现这种更高输出 和更薄隧道势垒层是至关重要的。为了解决这种情况，在形成隧道势垒层之前通过反溅射(inverse sputtering)使第二钉扎磁层5变平滑，并且通过将隧道势垒层层叠在这 种平滑磁层上来实现隧道势垒层本身的平滑度。就是说，通过使得隧道 势垒层的下层的表面变得平滑，即使在隧道势垒层上也能获得异常平滑 的表面。通常使用A1203层作为穿隧磁阻元件的隧道势垒层，但也可以使用 MgO层作为势垒层以获得更高磁阻特性。八1203层是非晶层，而MgO层 是晶层。层的晶体结构对于获得优异穿隧磁阻效应非常重要。为了利用 MgO层获得优异穿隧磁阻效应，虽然使用了MgO层，但用作MgO层的 下层的第二钉扎磁层必须是非晶层。由于需要高记录密度，所以要求磁头中的磁屏蔽之间的间隙是窄隙。 因为穿隧磁阻元件被保持在磁屏蔽之间，所以即使在穿隧磁阻元件中， 减少厚反铁磁层的厚度以形成窄隙也是很重要的。作为通常的反铁磁层， 使用显示出大交换耦合力和高截止温度(blocking temperature)的Pt-Mn 合金。然而，用作反铁磁层的层相对较厚，例如10到20nm。另一方面， 当该层由Ir-Mn合金形成时，即使其厚度约5到10 nm时也可使用。因 此，当在此考虑窄隙时，Ir-Mn合金作为反铁磁层具有更高的潜力。然而， 已知Ir-Mn合金的表面比Pt-Mn合金的表面粗糙。图6示出当对第二钉扎磁层进行反溅射时，TMR比(％)与RA (Q um2)之间的关系。用于实验的穿隧磁阻膜的膜结构是由5nm厚的 Ta底层、2 nm厚的Ru底层、10 nm厚的IrMn反铁磁层、2.5 nm厚的CoFe第一钉扎层、0.8 nm厚的Ru非磁性层、3 nm厚的CoFeB第二钉扎 层、1 nm厚的MgO隧道势垒层、3 nm厚的CoFeB自由层、5 nm厚的 Ta保护层以及10 nm厚的Ru保护层构成的。反溅射是在10—2 Pa的Ar 气大气压下的真空室中进行的。当如上所述采用MgO层作为隧道势垒层 时，会妨害MgO的配向。如果如在现有技术的情况下通过反溅射等对第 二钉扎磁层进行平滑，则妨害了 MgO的配向而无法获得优异磁阻特性。 然而，当减少隧道势垒层的厚度并且由于采用了反铁磁层(或者尤其是 利用Ir-Mn合金作为反铁磁层)所以膜的表面粗糙度相当大时，平滑处 理是必要的。第一钉扎磁层与第二钉扎磁层之间的反铁磁交换耦合主要依赖于由 这种第一钉扎磁层和第二钉扎磁层所夹的非磁性中间层的厚度。由于非 磁性中间层的厚度仅为1 nm或小于1 nm，所以当膜厚度波动时，不能再 获得第一钉扎磁层与第二钉扎磁层之间的优异交换耦合。就是说，当使 用Ir-Mn合金作为反铁磁层时，非磁性中间层的膜表面中的粗糙度增加， 并且不能获得优异的交换耦合。因此，本专利技术的目的是提供一种，其能 够实现层厚度的减小，以解决上述各种问题并且获得优异磁阻特性。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，磁阻元件是通过顺次层叠底层、反铁磁层、 第一钉扎磁层、非磁性中间层、第二钉扎磁层、隧道势垒层、自由磁层 以及保护层而形成的。在层叠非磁性中间层之前对第一钉扎磁层进行平 滑处理。由于使第一钉扎磁层平滑，所以此后层叠的非磁性中间层也是 平滑的，并且能够获得第一钉扎磁层与第二钉扎磁层之间的稳定反铁磁 交换耦合。此外，还对层叠在上面的隧道势垒层进行平滑处理，以使可 以在不产生一个或者更多个针孔的情况下减小厚度。进行平滑处理使得中心线平均粗糙度Ra为0.3 nm或小于0.3 nm。 当中心线平均粗糙度Ra是0.3 nm或小于0.3 nm时，平滑表面可与当例 如使用Pt-Mn合金作为反铁磁层时相比，并且因此能够获得优异的磁阻特性。此外，反铁磁层优选地由Ir-Mn合金形成。当使用Ir-Mn合金作为 反铁磁层时，与当使用例如Pt-Mn合金时相比，形成反铁磁层之后的膜 表面的平滑度很差。此外，即使在膜上层叠非磁性中间层，也不能获得 第一钉扎磁层与第二钉扎磁层之间的稳定反铁磁交换耦合。然而，通过 对第一钉扎磁层进行平滑处理能够获得第一钉扎磁层与第二钉扎磁层之 间的稳定反铁磁交换耦合。另外，当使用Ir-Mn合金作为反铁磁层时， 对隧道势垒层进行平滑处理能够提供性能上的显著改进。隧道势垒层优选地由MgO层形成。当使用MgO作为隧道势垒层时， 由于其晶体结构对磁阻特性具有较大影响，所以需要进行另外的平滑处 理。然而，当对第二钉扎磁层进行平滑处理时，不能获得MgO的优异晶 体结构。因此，通过对第一钉扎磁层进行平滑处理能够获得MgO的优异 晶体结构。通过顺次层叠底层、反铁磁层、第一钉扎磁层、非磁性中间层、第 二钉扎磁层、隧道势垒层、自由磁层以及保护层，并且通过在层叠非磁 性中间层之前对第一钉扎磁层进行平滑处理，来执行磁阻元件的制造方 法。利用该制造方法能够获得上述磁阻元件。在所述平滑处理之后，层叠非磁性中间层之前，可以再次层叠第一 钉扎磁层。换言之，第一钉扎磁层的厚度可从所需厚度减小，并且随后 通过再次形成第一钉扎磁层而增加到所需厚度。可利用气体团簇离子束或者反溅射处理来进行对第一钉扎磁层的平 滑处理。作为平滑手段，采用能够在相同真空条件中执行的气体团簇离 子束或者反溅射处理以防止膜特性的劣化。可使用Ir-Mn合金作为反铁磁层，同时可使用MgO层作为隧道势垒 层。在上述条件下，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁阻元件，该磁阻元件包括顺次层叠的如下多个层：底层；反铁磁层；第一钉扎磁层；非磁性中间层；第二钉扎磁层；隧道势垒层；自由磁层；以及保护层，所述磁阻元件是通过如下处理而制成的：顺次层叠所述多个层，并且在将所述非磁性中间层层叠在所述第一钉扎磁层上之前，对所述第一钉扎磁层进行平滑处理。

【技术特征摘要】
JP 2006-9-11 2006-2449771、 一种磁阻元件，该磁阻元件包括顺次层叠的如下多个层 底层；反铁磁层；第一钉扎磁层；非磁性中间层；第二钉扎磁层；隧道势垒层；自由磁层；以及保护层，所述磁阻元件是通过如下处理而制成的顺次层叠所述多个层，并 且在将所述非磁性中间层层叠在所述第一钉扎磁层上之前，对所述第一 钉扎磁层进行平滑处理。2、 根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，执行所述平滑处理以提 供0.3 nm或小于0.3 nm的中心线平均粗糙度Ra。3、 根据权利要求1或2所述的磁阻元件，其中，所述反铁磁层由Ir-Mn 合金形成。4、 根据权利要求3所述的磁阻元件，其中，所述隧道势垒层由MgO 形成。5、 一种磁阻元件的制造方法，所述制造方法包括以下步骤顺序层 叠底层、反铁磁层、第一钉扎磁层、非磁性中间层、第二钉扎磁层、隧 道势垒层、自由磁层以及保护层；并且在层叠所述非磁性中间层之前对 所述第一钉扎磁层进行平滑处理。6、 根据权利要求5所述的制造方法，其中，在层叠所述非磁性中间 层之前，再次层叠第一钉扎磁层。7、 根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：驹垣幸次郎，
申请(专利权)人：富士通株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[]