专利名称：隧道磁阻效应膜和磁性装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及隧道磁阻效应膜(tunnel magnetoresistance effect film)和 采用所述隧道磁阻效应膜的磁性装置。
背景技术：
磁盘装置的磁头包括写磁头，其在记录介质上写数据；和读磁头， 其从记录介质读取已写入的数据。读磁头具有磁阻效应元件，磁阻效应 元件的阻值基于记录介质上记录的磁化信号而变化。磁阻效应元件(读 元件)包括其中磁性层和非磁性层相层叠的磁阻效应膜。TMR (隧道磁 阻)元件具有"磁性层/隧道势垒层/磁性层"的膜结构。S卩，其特征在于， 隧道势垒层夹在磁性层之间。在TMR元件中，感应电流垂直于磁阻效应 膜的表面地通过，以检测阻值的变化。其中夹着隧道势垒层的磁性层的磁化方向平行的磁阻效应膜的阻值 不同于其中夹着隧道势垒层的磁性层的磁化方向反向平行的磁阻效应膜 的阻值。通过平行情况(P)的阻值和反向平行情况(AP)的阻值的增加 率来定义MR比率。也就是说，MR比率- (Rap-Rp) /RPX100。在常规的TMP型磁阻效应膜的情况中，反向平行情况(其中夹着隧 道势垒层的磁性层的磁化方向为反向平行)的阻值比平行情况(其中夹 着隧道势垒层的磁性层的磁化方向为平行)的阻值大。即，磁阻效应膜 具有正MR比率的特性。另一方面，已经报导了具有负MR比率(反MR)的材料(参见Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 4288; Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 616;以及Phys， Rev. Lett. 90 (2003) 186602)。在上述材料的每一个中，平行情况(其中夹着 隧道势垒层的磁性层的磁化方向为平行)的阻值比反向平行情况(其中 夹着隧道势垒层的磁性层的磁化方向为反向平行)的阻值大。具有负MR比率特性的磁阻效应膜的MR比率比具有正MR比率特性的磁阻效应膜 的MR比率小，但其特性将应用于新的磁性装置。注意，文献Phys.Rev. Lett. 82 (1999) 4288揭示了具有负MR比率特性的磁阻效应膜，其膜结 构为Co/SrTiO/LaSrMnO;文献Phys. Rev. Lett 82 (1999) 616揭示了具 有负MR比率特性的磁阻效应膜，其膜结构为NiFe/TaAlO/NiFe;文献Phys, Rev. Lett. 90 (2003) 186602揭示了具有负MR比率特性的磁阻效应膜， 其膜结构为M/NiO/Co。如上所述，已经报导了一些具有负MR比率特性的磁阻效应膜。但 是，在其膜结构为Co/SrTiO/LaSrMnO的磁阻效应膜的情况中，MR比率 很大，例如-50%，但是LaSrMnO的磁性层为氧化层并且工作温度很低， 例如5K。另夕卜，在其膜结构为NiFe/TaAlO/NiFe的磁阻效应膜的情况中， 可采用常规磁阻效应膜中所使用的材料，但是MR比率较小，例如-4%。 在其膜结构为Ni/NiO/Co的磁阻效应膜的情况中，可采用常规磁阻效应 膜中所使用的材料，但元件尺寸很小，例如60nm或更小，并且工作温 度很低，例如4.2K。由于具有负MR比率特性的常规磁阻效应膜的MR比率较小，因此 它们不能代替具有大MR比率的常规膜而用于磁头。此外，工作温度非 常低，因此不能用于实用装置。发明内容构思了本发明以解决上述问题。本发明的目的是提供一种高度实用的隧道磁阻效应膜以及采用该隧 道磁阻效应膜的磁性装置，所述隧道磁阻效应膜具有可工作的负MR比 率的特性，可在室温下使用。为了实现上述目的，本发明具有以下结构。艮P，本发明的隧道磁阻效应膜包括隧道势垒层；和夹着隧道势垒 层的磁性层，并且磁性层之一为FeN层。在隧道磁阻效应膜中，另一个磁性层可以为其磁化方向固定的固定 磁性层(pinnedmagnetic layer)。通过这种结构，当外部磁场对其作用时，一个磁性层的磁化方向发生变化，从而可将外部磁场检测为隧道磁阻效 应膜的阻值变化。在隧道磁阻效应膜中，固定磁性层可由第一固定磁性层和第二固定 磁性层构成，第一固定磁性层和第二固定磁性层通过反铁磁耦合层而耦 合。另外，可靠近固定磁性层地形成反铁磁层，所述反铁磁层可以交换连接(switch-connect)固定磁性层，以固定固定磁性层的磁化。通过这 些结构，可以稳定地保持磁性层的磁化方向。本发明的磁性装置包括隧道磁阻效应膜，所述隧道磁阻效应膜包括 隧道势垒层；和夹着隧道势垒层的磁性层，并且磁性层之一为FeN层。 例如，可将本发明的磁性装置应用到磁头(其中将隧道磁阻效应膜用作 读磁头的读元件的磁阻效应膜)和磁存储器。另一磁性装置包括第一隧道磁阻效应膜部，其包括固定磁性层、 隧道势垒层和具有正MR比率特性的磁性层；和第二隧道磁阻效应膜部，其包括固定磁性层、隧道势垒层和具有负MR比率特性的磁性层，并且 第二隧道磁阻效应膜部的具有负MR比率特性的磁性层为FeN层。在磁性装置中，各个固定磁性层可由第一固定磁性层和第二固定磁 性层构成。此外，可以靠近各个固定磁性层形成反铁磁层，并且所述反 铁磁层可以交换连接各个固定磁性层，以固定所述固定磁性层的磁化。在磁性装置中，公共固定磁性层可用作第一隧道磁阻效应膜部和第 二隧道磁阻效应膜部的固定磁性层，并且第一隧道磁阻效应膜部的隧道 势垒层和磁性层与第二隧道磁阻效应膜部的隧道势垒层和磁性层可分离 地形成在公共固定磁性层上。通过这种结构，例如，可将磁性装置用作 存储元件。另外，在磁性装置中，第一隧道磁阻效应膜部和第二隧道磁阻效应 膜部可串联连接在地和源极之间，固定磁性层可连接到栅极，并且可将 由外部磁场引起的输入信号反相检测为栅极的反相输出信号。通过这种 结构，可将磁性装置用作反相器的逻辑电路。本发明的隧道磁阻效应膜在室温下具有很大的负MR比率，例如 -30%，因此可利用负MR比率特性将其应用到实用产品，例如磁存储器。另外，本发明的磁性装置可用在室温下，并且容易处理，因此可以产生 实用的磁性装置。
现在参照附图通过实施例对本发明的实施方式进行说明，在附图中: 图1A是采用本发明的隧道磁阻效应膜的读元件的说明图； 图1B是常规读元件的说明图；图2A是示出了本发明的隧道磁阻效应膜的负MR比率的曲线图； 图2B是示出了常规隧道磁阻效应膜的正MR比率的曲线图； 图3是釆用具有负MR比率的隧道磁阻效应膜的说明图； 图4是图3中所示的磁性装置的逻辑电路；以及 图5是解释图3中所示的磁性装置的操作的说明图。
具体实施方式
现在参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。 (隧道磁阻效应膜的结构)图1A和1B示出了磁头的读元件的结构，其各自具有隧道磁阻效应 膜。图1A示出了具有本发明的隧道磁阻效应膜的读元件20;图1B为具 有常规隧道磁阻效应膜的常规读元件21的说明图。在图1A中所示的读元件21中，在衬底IO (其由AlTiC构成)上依 次形成有基层11 (由第一基层lla和第二基层llb构成)、FeN (氮化铁) 层12 (其为磁性层)、隧道势垒层13 (其为绝缘层)、固定磁性层14、反 铁磁层16和覆盖层17。注意，固定磁性层14由第一磁性层14a、反铁 磁耦合层15和第二磁性层14b组成。在读元件20中，本发明的隧道磁阻效应膜30由FeN层12、隧道势 垒层13和第一磁性层14a组成。隧道势垒层13夹在FeN层12和第一磁 性层14a之间。FeN层12为自由层，其磁化方向可随着外部磁场而改变， 第一磁性层14a用作固定层，其磁化方向预先固定。层叠在固定磁性层14上的反铁磁层16交换连接到第二磁性层14b，从而固定第二磁性层14b的磁化方向。由于第一磁性层14a和第二磁性 层14b是反铁磁耦合的，因此可以稳定地固定第一磁性层14a的磁化方 向。可以将各种膜结构用于读元件20，可以将各种材料用于这些层。对 图1A中所示的膜结构的实施例进行说明。第一基层lla由其厚度为2 nm的MgO构成；第二基层lib由其厚 度为5 nm的Fe构成；FeN层12由其厚度为5 nm的Fe4N构成；隧道势 垒层13由其厚度为2 nm的MgO构成;第一磁性层14a由其厚度为4 nm 的CoFeB构成；反铁磁层15由其厚度为0.85 nm的Ru构成；第二磁性 层14b由其厚度为3 nm的Fe构成；反铁磁层16由其厚度为7.5 nm的 Mnlr构成；覆盖层17由其厚度为5nm的Ta构成。图IB中所示的常规读元件21具有常规TMR型磁阻效应膜。与图 1A中所示的读元件20相比，读元件21的特征点仅仅在于形成在隧道势 垒层13之下的磁性层22。磁性层22用作读元件21的自由层，并且其由 软磁材料(例如NiFe)构成。在图IB中所示的读元件21中，隧道磁阻效应膜31由磁性层22、 隧道势垒层13和第一磁性层14a构成。除了磁性层22夕卜，读元件21的 膜结构和材料与图1A中所示的读元件20的膜结构和材料相同。图1B中所示的读元件21 (其具有TMR型磁阻效应膜)是典型的常 规实施例。另一方面，在图1A中所示的读元件20中，采用FeN层21 代替常规TMR型磁阻效应膜的磁性层22。图2A是示出了本发明的隧道磁阻效应膜30的MR比率的曲线图； 图2B是示出了常规隧道磁阻效应膜31的MR比率的曲线图。如图2B中所示，在常规隧道磁阻效应膜31中，反向平行情况(其 中磁性层22和第一磁性层14a的磁化方向是反向平行的)的阻值比平行 情况(其中磁性层22和14a的磁化方向是平行的)的阻值大。即，磁阻 效应膜具有正MR比率的特性。另一方面，如图2A中所示，在本发明的隧道磁阻效应膜30中，反 向平行情况(其中FeN层12和第一磁性层14a的磁化方向是反向平^[亍的)的阻值比平行情况(其中FeN层12和14a的磁化方向是平行的)的阻值 小。即，磁阻效应膜具有负MR比率的特性。根据试验，结构为Fe4N(5 nm) /MgO (2nm) /CoFeB (4nm)的上述隧道磁阻效应膜在室温下具有-30% 的MR比率。由于在室温下可获得高的负MR比率(例如，-30°/。)，因此可将本发 明的隧道磁阻效应膜用于磁头的读磁头。通常，可通过提高MR比率的 绝对值来使磁头的特性稳定。因此，在将具有负MR比率特性的隧道磁 阻效应膜用于磁头的读元件的情况中，需要具有更大MR比率的隧道磁 阻效应膜。(磁性装置)作为本发明的磁性装置的实施例，对其中采用具有负MR比率特性 的隧道磁阻效应膜的随机存取存储器进行说明。在图3中，随机存取存储器由以下部分构成具有正MR比率特性 的隧道磁阻效应膜，在各膜中膜结构为Fe (磁性层)/MgO (隧道势垒层) /CoFeB (磁性层)；和具有负MR比率特性的隧道磁阻效应膜，在各膜中 膜结构为FeN (磁性层)/MgO (隧道势垒层)/CoFeB (磁性层)。在图3中所示的磁性装置中，Fe层44和FeN层46分别隔着隧道势 垒层42形成在公共固定磁性层40 (其由CoFeB构成并用作公共磁性层) 上。Fe层44和FeN层46略微分开。由CoFeB构成的固定磁性层40为 铁磁层，其磁化方向不随外部磁场而变化，并且在磁化处理中预先固定 其磁化方向。另一方面，Fe层44和FeN层46的磁化方向随外部磁场而 改变。为了固定所述固定磁性层40的磁化方向，可通过将多个固定磁性层 与反铁磁耦合层进行层叠来形成固定磁性层40。另外，可对多个反铁磁 层进行层叠，以通过交换连接功能来固定所述固定磁性层的磁化方向。隧道势垒层42夹在固定磁性层40、 Fe层44和FeN层46之间。其 中形成有Fe层44的部分51是第一隧道磁阻效应膜部，其由固定磁性层 40、隧道势垒层42和Fe层44构成；其中形成有FeN层46的部分52是 第二隧道磁阻效应膜部，其由固定磁性层40、隧道势垒层42和FeN层46构成。具有FeN层46的第二隧道磁阻效应膜部52具有负MR比率特性； 具有Fe层44的第一隧道磁阻效应膜部51具有正MR比率特性。在图3中，没有显示衬底，但是固定磁性层40、隧道势垒层42、 Fe 层44和FeN层46是通过喷射形成在衬底上的。通过常规成膜处理可选 地形成固定磁性层40、隧道势垒层42、 Fe层44和FeN层46的厚度和 平面图案。Fe层44连接到地(接地)；FeN层46连接到源极；并且固定磁性层 40连接到栅极。图4是图3中所示的磁性装置的逻辑电路。第一隧道磁阻效应膜部 51和第二隧道磁阻效应膜部52串联在地和源极之间。从固定磁性层40 输出信号。输入信号用作对磁性装置起作用的外部磁场。即，当外部磁场对磁 性装置的Fe层44和FeN层46起作用以反转磁化方向时，第一隧道磁阻 效应膜部51和第二隧道磁阻效应膜部52的阻值发生变化，从而改变栅 极的输出信号。例如，通过在磁性装置附近设置电缆并切换流过电缆的 电流的方向，可以施加用于反转磁性装置的Fe层44和FeN层46的磁化 方向的外部磁场。第一隧道磁阻效应膜部51具有正MS比率特性，并且第二隧道磁阻 效应膜部52具有负MS比率特性。因此，第一隧道磁阻效应膜部51的 平行情况和反向平行情况之间的阻值关系与第二隧道磁阻效应膜部52的 平行情况和反向平行情况之间的阻值关系相反。通过采用这种功能，可 将图4中所示的逻辑电路用作反相电路。图5示出了上述磁性装置的操作。当输入到磁性装置的信号为0 (即 施加外部磁场以使得磁性装置的Fe层44和FeN层46的磁化方向与固定 磁性层40的磁化方向相反)时，在第一隧道磁阻效应膜部51中使得固 定磁性层40和Fe层44的磁化方向反向平行，从而增大阻值；在第二隧 道磁阻效应膜部52中使得固定磁性层40和FeN层46的磁化方向反向平 行，从而减小阻值。因此，栅极输出为l (电压高)。另一方面，当输入到磁性装置的信号为1 (即施加外部磁场以使得磁性装置的Fe层44和FeN层46的磁化方向与固定磁性层40的磁化方 向平行)时，在第一隧道磁阻效应膜部51中阻值减小；在第二隧道磁阻 效应膜部52中阻值增大，从而减小阻值。因此，栅极输出为0 (电压 低)。如上所述，执行上述反相器操作，其中，当输入了信号0或1时， 栅极输出信号1或0。通过对磁性装置施加外部磁场，执行反相器操作。 如果没有外部磁场对磁性装置起作用，则磁性装置保持之前的状态。艮P， 磁性装置可用作随机存取存储器。在采用磁性装置作为随机存取存储器的情况中，仅仅保持或维持磁 化方向，因此不需要大MR比率。因此，本发明的隧道磁阻效应膜可适 用于上述磁性装置。尤其是，本发明的隧道磁阻效应膜具有大MR比率 (例如-30%)，并且可在室温下使用。因此，可将本发明的隧道磁阻效应 膜广泛地应用于包括磁头的各种磁性装置。在不脱离本发明的本质特征的精神的情况下可以采用其他具体形式 来实现本发明。因此，应当将本实施方式全面考虑为示例性的而非限制 性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明来表示，因此，旨 在将落入权利要求的等同物的意义和范围之内的所有变化包括在权利要 求中。
权利要求
1.一种隧道磁阻效应膜，该隧道磁阻效应膜包括隧道势垒层；和夹着所述隧道势垒层的磁性层，其中，所述磁性层之一为FeN层。
2. 根据权利要求1所述的隧道磁阻效应膜，其中，另一个磁性层为磁化方向固定的固定磁性层。
3. 根据权利要求2所述的隧道磁阻效应膜，其中，所述固定磁性层由第一固定磁性层和第二固定磁性层构成， 所述第一固定磁性层和所述第二固定磁性层通过反铁磁耦合层而耦合。
4. 根据权利要求2所述的隧道磁阻效应膜，其中，靠近所述固定磁性层地形成有反铁磁层，并且 所述反铁磁层交换连接所述固定磁性层，以固定所述固定磁性层的 磁化。
5. —种磁性装置， 该磁性装置包括 隧道磁阻效应膜，其中，所述隧道磁阻效应膜包括隧道势垒层；和夹着所述隧道势 垒层的磁性层，并且所述磁性层之一为FeN层。
6. —种磁性装置， 该磁性装置包括第一隧道磁阻效应膜部，其包括固定磁性层、隧道势垒层和具有正 MR比率特性的磁性层；以及第二隧道磁阻效应膜部，其包括固定磁性层、隧道势垒层和具有负MR比率特性的磁性层，其中，所述第二隧道磁阻效应膜部的具有负MR比率特性的磁性层为FeN层。
7. 根据权利要求6所述的磁性装置，其中，各个固定磁性层由第一固定磁性层和第二固定磁性层构成。
8. 根据权利要求6所述的磁性装置，其中，靠近各个固定磁性层地形成有反铁磁层，并且 所述反铁磁层交换连接各个固定磁性层，以固定所述固定磁性层的 磁化。
9. 根据权利要求6所述的磁性装置，其中，公共固定磁性层用作所述第一隧道磁阻效应膜部和所述第二 隧道磁阻效应膜部的固定磁性层，并且所述第一隧道磁阻效应膜部的隧道势垒层和磁性层与所述第二隧道 磁阻效应膜部的隧道势垒层和磁性层分离地形成在所述公共固定磁性层 上。
10. 根据权利要求9所述的磁性装置，其中，所述第一隧道磁阻效应膜部和所述第二隧道磁阻效应膜部串 联连接在地和源极之间，所述固定磁性层连接到栅极，并且将由外部磁场引起的输入信号的反相检测为所述栅极的反相输出信
全文摘要
本发明提供隧道磁阻效应膜和磁性装置。所述隧道磁阻效应膜是高度实用的隧道磁阻效应膜，具有可工作的负MR比率的特性，可在室温下使用。所述隧道磁阻效应膜包括隧道势垒层；和夹着所述隧道势垒层的磁性层。磁性层之一由FeN构成。
文档编号G11C11/16GK101237023SQ20071015976
公开日2008年8月6日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年1月31日
发明者角田匡清, 驹垣幸次郎, 高桥研 申请人:富士通株式会社;国立大学法人东北大学