CoFeB层构成固定层至少一部分的隧道型磁检测元件及其制法的制作方法

专利名称：CoFeB层构成固定层至少一部分的隧道型磁检测元件及其制法的制作方法
CoFeB层构成固定层至少一部分的隧道型磁检测元件及其制法 技术区域本发明涉及例如搭载于硬盘装置或作为MRAM (磁阻存储器)使用 的隧道型磁检测元件，特别是涉及使用Mg—O作为绝缘障壁层时，可以 得到高电阻变化率(A R/R)的隧道型磁检测元件及其制造方法。
背景技术：
隧道型磁检测元件，是利用隧道效应产生电阻变化的元件，固定磁性 层的磁化和自由磁性层的磁化反平行时，隧道电流变得不容易流过设于所 述固定磁性层和自由磁性层之间的绝缘障壁层(隧道障壁层)，电阻值达 到最大，另一方面，所述固定磁性层的磁化和自由磁性层的磁化平行时， 所述隧道电流最容易流动，电阻值达到最小。利用该原理，通过使自由磁性层的磁化受外部磁场的影响产生变动， 作为电压变化获取变化的电阻，检测出来自记录介质的漏磁场。作为隧道型磁检测元件的重要特性，有电阻变化率(A R/R) 、 RA (元 件电阻RX面积A)等，为了使这些特性达到最优化，对绝缘障壁层、形 成于所述绝缘障壁层上下的固定磁性层以及自由磁性层的材质、膜结构进 行了改良。下述专利文献l以及专利文献2，记载有隧道型磁检测元件。作为相 关技术，列举有专利文献l (日本特开2004 —179667)号公报和专利文献 2 (日本特开2005 — 197764)号公报。隧道型磁检测元件的课题之一，列举有通过得到高电阻变化率(△ R/R)，提高检测灵敏度，提高再生头的特性。为了提高隧道型磁检测元 件的电阻变化率(A R/R)，得知在与绝缘障壁层的界面使用旋转极化率 高的材料等，合理化自由磁性层或固定磁性层的组成，以及合理化绝缘障 壁层和自由磁性层的结晶构造很重要。然而，改变所述绝缘障壁层的材质，电阻变化率(A R/R)所代表的 特性也会发生变化，因此，有必要对所述绝缘障壁层的材质分别进行研究。例如，在从下面起，以反铁磁性层、固定磁性层、绝缘障壁层以及自 由磁性层的顺序层叠的结构中，所述固定磁性层的结构为，从下面起为第 l固定磁性层、非磁性中间层、以及第2固定磁性层的层叠氧化铁(7工U)构造，由Mg—O形成所述绝缘障壁层时，以往，由CoFeB形成所述第2固定磁性层。对于CoFeB,若提高B浓度，则在非热处理(asdepo)状态下，非结 晶处于支配地位。由此，通过以非结晶方式形成所述第2固定磁性层，从 而，形成于其上面的绝缘障壁层以及自由磁性层，不容易受所述第2固定 磁性层下的结晶取向的影响，考虑通过提高结晶取向性，增大电阻变化率 (A R7R)。但是，即使在隧道型磁检测元件的制造过程中施加热处理，所述第2 固定磁性层也难以从非结晶状态充分结晶化，其结果，在上述构成中，不 能谋求结晶取向性的充分提高，不能得到高电阻变化率(A R/R)。图12表示，利用从下面起，以基础层Ta (30) /晶种(seed)层 Ru(40)Z反铁磁性层IrMn(70)/固定磁性层[第1固定磁性层Co7。at%Fe30at% (22) /非磁性中间层Ru (9.1) /第2固定磁性层(Co嵐Fe，) ，—YBY (20)]/绝缘障壁层:Mg—0(ll)/自由磁性层[增强层Co50at%Fe50at%(10) /软磁性层Ni87at%Fe13at% (50) ]/保护层[Ru (20) /Ta (180)]的顺序层叠 的层叠体，形成第2固定磁性层的CoFeB的B组成比Y变化时的电阻变 化率(A R/R)。并且括弧内的数值表示平均膜厚，单位是A。另外在实 验中，对所述层叠体，在27(TC的温度下，进行3小时30分钟的退火处理。如图12所示，若使B组成比Y为15 20at。/。左右，则可以增大电阻 变化率(A R/R)，但这还不是充分大的电阻变化率(A R/R)。另外如图 12所示，B组成比Y的变动使电阻变化率(A R/R)变动很大，不能得到 稳定的高电阻变化率(A R/R)。另外推测，增大B组成比Y，在非热处 理(as depo)状态下可以促进非结晶化，但是如图12所示，不能得到高 电阻变化率(A R/R)，热处理不能促进结晶化。上述专利文献1中，记载有与绝缘障壁层相接的增强层的膜厚为2nm
以下的磁检测元件，作为绝缘障壁层，记载有使用Al—O或Mg—O的情 况，但是实施例中，都用氧化铝(A1—0)作为绝缘障壁层。另外，专利文献2中记载的隧道型磁检测元件，屏蔽层使用微结晶材 料，通过抑制绝缘障壁层的表面粗糙度，可以得到高输出。另外，记载有 作为固定层使用CoFe或CoFeB的情况，但是没有记载由Mg—O形成绝 缘障壁层的情况。像这样，哪个专利文献都没有涉及到具备Mg—O形成的绝缘障壁层 的隧道型磁检测元件。另外，通过合理化自由磁性层或固定磁性层的组成 或结构，谋求元件特性的提高。即，哪个专利文献都没有记载为了提高元 件的电阻变化率(A R/R)，谋求合理化绝缘障壁层或自由磁性层、固定 磁性层的结晶结构。发明内容本发明为了解决以往课题，目的在于提供隧道型磁检测元件及其制造 方法，特别是，由Mg—O形成绝缘障壁层的隧道型磁检测元件，通过合 理化绝缘障壁层的结晶构造，可以得到高电阻变化率(A R/R)。本发明的隧道型磁检测元件，从下面起，以磁化被固定的固定磁性层、 绝缘障壁层、磁化相对于外部磁场变动的自由磁性层的顺序层叠，或者从 下面起，以所述自由磁性层、所述绝缘障壁层、所述固定磁性层的顺序层 叠，所述绝缘障壁层由Mg—O形成，构成所述固定磁性层的至少一部分，且与所述绝缘障壁层相接的障壁 层侧磁性层由以下构成由CoFeB或FeB形成的第1磁性区域；位于所 述第1磁性区域和所述绝缘障壁层之间的、由CoFe或Fe形成的第2磁性 区域。本发明优选，所述第l磁性区域中，存在从与所述第2磁性区域的边 界的相反侧，朝向所述第2磁性区域，B浓度逐渐减少的组成调制区域。另外本发明优选，所述障壁层侧磁性层是层叠了由CoFeB或FeB形 成的第1磁性层、和位于所述第1磁性层与绝缘障壁层之间的由CoFe或 Fe形成的第2磁性层的层叠构造，在该层叠构造的所述第1磁性层与所述
第2磁性层的界面产生了元素扩散。另外本发明的隧道型磁检测元件，从下面起，以磁化被固定的固定磁 性层、绝缘障壁层、磁化相对于外部磁场变动的自由磁性层的顺序层叠， 或者从下面起，以所述自由磁性层、所述绝缘障壁层、所述固定磁性层的 顺序层叠，所述绝缘障壁层由Mg — O形成，构成所述固定磁性层的至少一部分，且与所述绝缘障壁层相接的障壁层侧磁性层由以下层的层叠构造形成由CoFeB或FeB形成的第1磁性 层；位于所述第1磁性层与所述绝缘障壁层之间，由CoFe或Fe形成的第 2磁性层。在本发明中，如上所述，得知由Mg—O形成绝缘障壁层的隧道型磁 检测元件，与由CoFeB单层形成固定磁性层的现有例相比，能得到足够高 的电阻变化率(△ R/R)。在本发明中，优选所述第1磁性层由(CoxFe1()()—x) kk)-yBy形成，B 组成比Y为15 30at%。另外在本发明中，优选所述第1磁性层的平均膜厚为10 30A。另外在本发明中，优选所述第2磁性层由CozFeu)()-z形成，Co组成比 Z为0 80at%。另外，在本发明中，优选所述第2磁性层的平均膜厚为6 12A。 由此，可以有效得到高电阻变化率(A R/R)。另外，在本发明中，适宜的是所述障壁层侧磁性层、所述绝缘障壁层、 以及至少所述自由磁性层的与所述绝缘障壁层相接的部分，在与膜面平行 的面上，作为代表性的{100}面表示的等价的体心立方结构的结晶面优先 取向。由此，可以有效得到高电阻变化率(A R/R)。另外，在本发明中，优选所述固定磁性层是第1固定磁性层和第2固 定磁性层夹着非磁性中间层层叠的层叠氧化铁构造，所述第2固定磁性层 是与所述绝缘障壁层相接的所述障壁层侧磁性层。另外，在本发明中，优选所述自由磁性层层叠有与所述绝缘障壁层 相接且由CoFe形成的增强层和由NiFe合金形成的软磁性层。另外，本发明是一种隧道型磁检测元件的制造方法，所述隧道型磁检
测元件具备从下面起，以磁化方向被固定的固定磁性层、绝缘障壁层、 以及磁化方向相对于外部磁场可变动的自由磁性层的顺序层叠的层叠部 分，其中，具备如下工序(a) 在由CoFeB或FeB形成的第1磁性层上层叠由CoFe或Fe形成 的第2磁性层，形成构成所述固定磁性层的至少一部分的障壁层侧磁性层 的工序；(b) 在所述障壁层侧磁性层上形成由Mg—O构成的绝缘障壁层的工序；(c) 在所述绝缘障壁层上形成所述自由磁性层的工序。或者，本发明一种隧道型磁检测元件的制造方法，所述隧道型磁检测 元件具备从下面起，以磁化方向相对于外部磁场可变动的自由磁性层、 绝缘障壁层、以及磁化方向被固定的固定磁性层的顺序层叠的层叠部分， 其中，具备如下工序(d) 形成所述自由磁性层的工序；(e) 在所述自由磁性层上形成由Mg—O构成的绝缘障壁层的工序；(f) 在所述绝缘障壁层上层叠由CoFe或Fe形成的第2磁性层以及 由CoFeB或FeB形成的第1磁性层，形成构成所述固定磁性层的至少一 部分的障壁层侧磁性层的工序。在本发明中，根据上述制造方法，在由Mg—0形成绝缘障壁层的隧 道型磁检测元件中，与以往相比，可以简单并且确切的制造高电阻变化率 (△ R7R)的隧道型磁检测元件。在本发明中，优选形成所述第1磁性层时，由(C。xFe咖—x) 100_YBY 形成所述第l磁性层，此时，在15 30at。/。的范围内调整B组成比Y。另外，在本发明中，优选所述第l磁性层以10 30A的平均膜厚形成。另外，在本发明中，优选形成所述第2磁性层时，由CozFeuK)—z形成 所述第2磁性层，此时，在0 80at。/。的范围内调整Co组成比Z。另外，在本发明中，优选所述第2磁性层以6 12A的平均膜厚形成。由此，可以有效得到高电阻变化率"R/R)。另外在本发明中，优选形成所述绝缘障壁层时，形成Mg层，之后， 氧化所述Mg层，形成由Mg—O构成的所述绝缘障壁层，或者使用Mg
一O的靶，形成由Mg—O构成的所述绝缘障壁层。在本发明中，优选形成所述层叠部分后，进行退火处理。根据退火处 理的条件，所述障壁层侧磁性层的内部发生元素扩散，可以形成B浓度的 组成调制区域。发明效果在本发明中，在使用Mg—O作为绝缘障壁层的隧道型磁检测元件中， 可以得到高电阻变化率(△ R/R)。


图1是在与记录介质的相对面平行的面，截断本发明的一个实施方式 的隧道型磁检测元件的截面图；图2放大表示图1所示的第2固定磁性层4c附近，是表示特别在第1 磁性层和第2磁性层的界面产生元素扩散的部分放大截面图，和表示B浓 度的组成调制的图；图3是与图2不同形式的放大图1所示的第2固定磁性层4c附近的 部分放大截面图，和表示B浓度的组成调制的图；图4是表示本发明的一个实施方式的隧道型磁检测元件的制造方法的 一个工序图(在与记录介质的相对面平行的面，截断制造工序中的所述隧 道型磁检测元件的截面图)；图5是接着图4进行的一个工序图(在与记录介质的相对面平行的面， 截断制造工序中的所述隧道型磁检测元件的截面图)；图6是接着图5进行的一个工序图(在与记录介质的相对面平行的面， 截断制造工序中的所述隧道型磁检测元件的截面图)；图7是接着图6进行的一个工序图(在与记录介质的相对面平行的面， 截断制造工序中的所述隧道型磁检测元件的截面图)；图8是表示第2固定磁性层具备由第1磁性层和第2磁性层2层构成 的结构，以及具备第1磁性层单层的结构的隧道型磁检测元件的RA和电 阻变化率(△ R/R)的关系的图；图9是表示第2固定磁性层具备由第1磁性层和第2磁性层2层构成 的结构的隧道型磁检测元件的第1磁性层的膜厚和电阻变化率(A R/R) 的关系的图；图10是表示第2固定磁性层具备由第1磁性层和第2磁性层2层构 成的结构的隧道型磁检测元件的第2磁性层的膜厚和电阻变化率(A R/R) 的关系的图；图11是表示第2固定磁性层具备由第1磁性层和第2磁性层2层构 成的结构的隧道型磁检测元件的第2磁性层的膜厚和层间结合磁场(Hin) 的关系的图；图12表示在以往结构的隧道型磁检测元件中，第2固定磁性层(第1 磁性层)的B组成和电阻变化率(A R/R)的关系的图。
具体实施方式
图1是在与记录介质的相对面平行的面，截断本发明的一个实施方式 的隧道型磁检测元件(隧道型磁阻效应元件)的截面图。隧道型磁检测元件，设置于硬盘装置上设置的浮上式滑块的拖尾侧端 部等，检测硬盘等的记录磁场。或者所述隧道型磁检测元件，也用于MRAM (磁阻存储器)等。另外，图中的X方向为轨道宽度方向，Y方向是指来自磁记录介质的 漏磁场的方向(高度方向)，Z方向表示硬盘等磁记录介质的移动方向以 及所述隧道型磁检测元件各层的层叠方向。形成于图1最下边的是例如由NiFe合金形成的下部屏蔽(shield)层 21。所述下部屏蔽层21上形成有层叠体T1。并且所述隧道型磁检测元件 由以下构成所述层叠体T1;形成于所述层叠体T1的轨道宽度方向(图 示X方向)两侧的下侧绝缘层22;硬偏压(hard bias)层23;上侧绝缘 层24。所述层叠体T1的最下层，是由Ta、 Hf、 Nb、 Zr、 Ti、 Mo、 W中的 1种或2种以上元素等的非磁性材料形成的基础层1。该基础层1上，设 有晶种(seed)层2。所述晶种层2，例如由Ru、 NiFeCr形成。例如，如 果所述晶种层2由NiFeCr形成，则所述晶种层2，与膜面平行的方向上作 为代表性{111}面表示的等价的面心立方(fcc)构造的结晶面优先取向。 另外，晶种层2由Ru形成时，所述晶种层2，与膜面平行的方向上作为
代表性{000}面表示的等价的密排六方(hcp)构造的结晶面优先取向。另 外，也可以不形成所述基础层1。形成于所述晶种层2上的反铁磁性层3，优选由含有元素CI (其中，a为Pt、 Pd、 Ir、 Rh、 Ru、 Os中1种或2种以上的元素)和Mn的反铁 磁性材料形成。使用了这些铂族元素的a—Mn合金，具有耐腐蚀性优良，另外阻塞 (blocking)温度也高，并且还可以增大交换结合磁场(Hex)等作为反铁 磁性材料的优良特性。另外所述反铁磁性层3，也可以由含有元素a和元素ci '(其中，元素a '为Ne、 Ar、 Kr、 Xe、 Be、 B、 C、 N、 Mg、 Al、 Si、 P、 Ti、 V、 Cr、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Ga、 Ge、 Zr、 Nb、 Mo、 Ag、 Cd、 Sn、 Hf、 Ta、 W、 Re、 Au、 Pb以及稀土类元素中1种或2种以上元素)和Mn的 反铁磁性材料形成。所述反铁磁性层3上形成有固定磁性层4。所述固定磁性层4，从下 面起，是以第1固定磁性层4a、非磁性中间层4b、第2固定磁性层(障 壁层侧磁性层)4c的顺序层叠的层叠氧化铁构造。通过在与所述反铁磁性 层3界面的交换结合磁场以及经过非磁性中间层4b的反铁磁性交换结合 磁场(RKKY的相互作用)，所述第1固定磁性层4a和第2固定磁性层 4c的磁化方向相互呈反平行状态。这被称为所谓的层叠氧化铁构造，该结 构可以使所述固定磁性层4的磁化处于稳定状态，并且在表面上可以增大 所述固定磁性层4和反铁磁性层3的界面产生的交换结合磁场。并且，所 述第1固定磁性层4a例如形成为1.2 3.2nm (12 32A)，非磁性中间层 4b形成为0.8 lnm (8 10A)左右，第2固定磁性层4c形成1.6 4.2nm (16 42A)。所述第1固定磁性层4a由CoFe、 NiFe、 CoFeNi等强磁性材料形成。 另外非磁性中间层4b由Ru、 Rh、 Ir、 Cr、 Re、 Cu等非磁性导电材料形成。在本发明的一个实施方式中，所述第2固定磁性层4c进一步由以下 构成CoFeB或FeB形成的第l磁性层4cl; CoFe或Fe形成的第2磁性 层4c2。形成于所述固定磁性层4上的绝缘障壁层5，由Mg—O (氧化镁)形 成。所述绝缘障壁层5的膜厚为0.6 1.2nm左右。Mg—O优选Mg组成 比在40 60at。/。的范围内，最优选的是Mg5()at%05oat%。并且，所述绝缘障壁层5与所述第2固定磁性层4c间，也可以设有 膜厚非常薄(例如1 6A)的Mg层。所述绝缘障壁层5上，形成有自由磁性层6。所述自由磁性层6，由 以下构成软磁性层6b，其由NiFe合金等磁性材料形成；增强(enhance) 层6a，其设于所述软磁性层6b和所述绝缘障壁层5之间，由CoFe合金 形成。所述软磁性层6b，优选由软磁特性优良的磁性材料形成，所述增强 层6a，由旋转极化率大于所述软磁性层6b的磁性材料形成。通过旋转极 化率大的CoFe合金形成所述增强层6a，可以提高电阻变化率(A R/R)。另外，所述自由磁性层6，也可以是隔着非磁性中间层层叠多个磁性 层的层叠氧化铁构造。另外，由所述自由磁性层6的轨道宽度方向(图示 X方向)的宽度尺寸决定轨道宽度Tw。所述自由磁性层6上，形成有由Ta等形成的保护层7。所述层叠体T1的轨道宽度方向(图示X方向)的两侧端面12形成倾斜面，从下侧向上侧所述轨道宽度方向的宽度尺寸逐渐减小。如图1所示，从在所述层叠体T1的两侧伸展的下部屏蔽层21上开始， 到所述层叠体Tl的两侧端面12上，形成有下侧绝缘层22，所述下侧绝 缘层22上形成有硬偏压层23，并且所述硬偏压层23上形成有上侧绝缘层 24。所述下侧绝缘层22与所述硬偏压层23之间，也可以形成偏压基础层 (图中未表示)。所述偏压基础层，例如由Cr、 W、 Ti形成。所述绝缘层22、 24，由Al203或Si02等绝缘材料形成，为了抑制在所 述层叠体T1内与各层的界面垂直方向流动的电流，向所述层叠体T1的轨 道宽度方向两侧分流，使所述硬偏压层23上下绝缘。所述硬偏压层23例 如由Co—Pt (钴一铂)合金或Co —Cr—Pt (钴一铬一铂)合金等形成。所述层叠体Tl上以及上侧绝缘层24上，形成有由NiFe合金等形成 的上部屏蔽层26。在图1所示的实施方式中，所述下部屏蔽层21以及上部屏蔽层26， 作为相对于所述层叠体T1的电极层发挥作用，电流在相对于所述层叠体
Tl的各层的膜面的垂直方向(与图示Z方向平行的方向)流动。所述自由磁性层6，接受来自所述硬偏压层23的偏压磁场，在与轨道 宽度方向(图示X方向)平行的方向被磁化。另一方面，构成固定磁性层 4的第1固定磁性层4a和第2固定磁性层4c在与高度方向(图示Y方向) 平行的方向被磁化。因为所述固定磁性层4为层叠氧化铁构造，所以第l 固定磁性层4a和第2固定磁性层4c各自被反平行磁化。所述固定磁性层 4的磁化被固定(外部磁场不会引起磁化变动)，所述自由磁性层6的磁 化根据外部磁场发生变动。.若所述自由磁性层6根据外部磁场发生磁化变动，则在第2固定磁性 层4c与自由磁性层6的磁化反平行时，通过设于所述第2固定磁性层4c 和自由磁性层6之间的绝缘障壁层5的隧道电流不易流动，电阻值达到最 大，另一方面，第2固定磁性层4c与自由磁性层6的磁化平行时，所述 隧道电流最容易流动，电阻值达到最小。利用该原理，通过使自由磁性层6的磁化受外部磁场影响发生变动， 作为电压变化获取变化的电阻，检测出来自记录介质的漏磁场。对图1的实施方式的特征部分进行说明。图1中所述绝缘障壁层5，由Mg—O (氧化镁)形成。构成所述绝缘 障壁层5的下面形成的固定磁性层4的第2固定磁性层4c与所述绝缘障 壁层5相接形成。所述第2固定磁性层4c进一步由以下构成由CoFeB 或FeB形成的第1磁性层4cl;位于所述第1磁性层4cl与所述绝缘障壁 层5之间，由CoFe或Fe形成的第2磁性层4c2。采用上述构成，根据后述试验，得知与CoFeB的单层形成所述第2 固定磁性层4c的现有例相比，能得到高电阻变化率(A R/R)。由此，能 够形成即使是窄轨道化，也能够得到高头输出的隧道型磁检测元件。如本发明的一个实施方式推测为，在非磁性中间层4b上，非热处理(as depo)状态下，通过形成由容易非结晶化的CoFeB或FeB构成的第1磁性 层4cl，所述第1磁性层4cl的作用在于，抑制从晶种层2到非磁性中间 层4b的结晶构造的结晶取向(例如面心立方结构{111}面取向)的影响， 可以使形成于其上面的第2磁性层4c2、绝缘障壁层5以及自由磁性层6 的结晶构造，不容易受到非磁性中间层4b为止的结晶取向的影响。在本
发明的一个实施方式中，通过在第l磁性层4cl上，设置了由CoFe或Fe 形成的容易结晶化的第2磁性层4c2，热处理后，第2固定磁性层4c、绝 缘障壁层5以及由CoFe形成的增强层6a，作为代表性{100}面表示的等价 体心立方(bcc)构造的结晶面容易优先取向。此处，"作为代表性{100} 面表示的结晶面"，表示用密勒指数表示的结晶晶格面，所述作为{100} 面表示的等价结晶面，存在(100)面、(一IOO)面、(010)面、(0— 10)面、(001)面、(00—1)面。根据以上，在本发明的一个实施方式中，与以往相比，能够得到高电 阻变化率(△ R/R)。在本发明的一个实施方式中，第l磁性层4cl的膜厚，优选10 30A 的范围，16 24A的范围更好。根据后述实验，第l磁性层4cl的膜厚即 使发生变化，电阻变化率(A R/R)也没有较大的变化，但是考虑到如果 第1磁性层4cl的膜厚变大，则在第2固定磁性层4c整体中所占的B含 量变多，影响形成于其上面的第2磁性层4c2的结晶化，因此优选上述膜 厚范围。另外，第2磁性层4c2的膜厚，优选6 12A的范围，7 11A的范围 更好。根据后述实验，若第2磁性层的膜厚小于6A或大于12A，则电阻 变化率(A R/R)不会提高。另外，第2磁性层4c2的膜厚处于7 llA的 范围时，能够得到稳定的更高的高电阻变化率(A R/R)。根据后述其他 实验，第2磁性层4c2的膜厚限制在上述范围，还可以减小作用于自由磁 性层6与固定磁性层4之间的层间结合磁场(Hin)的值。另外，考虑到 层间结合磁场(Hin)，第2磁性层4c2的膜厚优选在上述范围中尽可能 大。在本发明的一个实施方式中，优选第1磁性层4cl由(CoxFeu)0—x) 100 -yBy形成，B组成比Y为15 30at%。通过在上述范围中调整组成，可以 得到高电阻变化率(△ R/R)。另夕卜，原子比率X(Co的组成比/(Co的组成比+Fe的组成比)}，优 选0 80%。优选第2磁性层4c2由CozFe,。。-z形成，Co组成比Z为0 80at%。 进一步，Co组成比Z优选10 50at。/。。
隧道型磁检测元件，如后述在制造工序中被施加退火处理(热处理)。 退火处理例如在200 31(TC左右的温度进行。该退火处理是用于在构成固定磁性层4的第1固定磁性层4a与所述反铁磁性层3之间产生交换结合 磁场(Hex)的磁场中退火处理等。例如，如果所述退火处理的温度低于20(TC，则认为所述第2磁性层 4c2与第1磁性层4cl的界面不发生构成元素的相互扩散，或者即使产生 相互扩散，也是小规模(例如不在整个界面产生扩散，只间断性产生等)， 几乎保持界面状态。另一方面，如果所述退火温度处于200。C 31(TC的范围内，且退火时 间为4小时以上，则如图2或图3所示，认为第2磁性层4c2与第l磁性 层4cl的界面发生构成元素的相互扩散，所述界面不复存在，形成B浓度 的组成调制区域。在图2所示的实施方式中，第2磁性层4c2与第l磁性层4cl的界面 发生元素扩散，所述第2固定磁性层4c由以下构成由CoFeB或FeB形 成的第1磁性区域10;位于所述第1磁性区域10以及所述绝缘障壁层5 之间，由CoFe或Fe形成的第2磁性区域11。如图2所示，所述第2磁性区域11中不含B。如图2右图所示，所 述第1磁性区域10中，存在着从下面侧(与非磁性中间层4b相接的界面 侧)向所述第2磁性区域11， B浓度逐渐减少的组成调制区域。另外， 所述第1磁性区域10的下面附近，B浓度低于其内部侧，这是因为与非 磁性中间层4b之间的元素扩散降低的。另一方面，在图3所示的实施方式中，所述第2固定磁性层4c整体 由CoFeB形成，不过，B浓度在与所述绝缘障壁层5相接的上面侧小于与 所述非磁性中间层4b相接的下面侧。另外，如图3所示，在所述第2固 定磁性层4c中，存在从与所述非磁性中间层4b相接的下面侧朝向与所述 绝缘障壁层5相接的上面侧，B浓度逐渐减少的组成调制区域。另外，如 图3所示，在所述第2固定磁性层4c的下面附近，B浓度低于其内部侧， 这是因为与非磁性中间层4b之间的元素扩散降低的。另外，在图l所示的实施方式中，所述固定磁性层4是第1固定磁性 层4a、非磁性中间层4b以及第2固定磁性层4c的层叠氧化铁构造，但是例如所述固定磁性层4为一层或多个磁性层层叠的结构，也可以适用本发 明的一个实施方式。其中，如果所述固定磁性层4为层叠氧化铁构造，则 可以更好的进行所述固定磁性层4的磁化固定，谋求再生输出的提高，因 此较为合适。在图1所示的实施方式中，是所述绝缘障壁层5形成于所述固定磁性层4上的所谓的底部型的隧道型磁检测元件，但是，绝缘障壁层5上形成 固定磁性层4的所谓顶部型的层叠结构，也可以适用于本发明的一个实施 方式。在顶部型中，从下面起，按照自由磁性层6、绝缘障壁层5、固定 磁性层4以及反铁磁性层3的顺序层叠。构成所述固定磁性层4的第2固 定磁性层4c是从下面起，以由CoFe或Fe形成的第2磁性层4c2、由CoFeB 或FeB形成的第1磁性层4cl的顺序层叠的构成，或者所述第2磁性层 4c2以及第1磁性层4cl元素扩散的构成。另外，也可以适用于从下面起，下侧反铁磁性层、下侧固定磁性层、 下侧绝缘障壁层、自由磁性层、上侧绝缘障壁层、上侧固定磁性层、以及 上侧反铁磁性层顺序层叠而构成的双重型的隧道型磁检测元件。所述下侧 固定磁性层的构成为图1 图3所示的方式，上侧固定磁性层的构成，如 上述顶部型中所说明的那样。对本发明的一个实施方式的隧道型磁检测元件的制造方法进行说明。 图4至图7，是从与图l相同的方向，截断制造工序中的隧道型磁检测元 件的部分截面图。在图4所示的工序中，下部屏蔽层21上，连续成膜基础层l、晶种层 2、反铁磁性层3、第l固定磁性层4a、非磁性中间层4b、以及第2固定 磁性层4c。各层例如通过溅射成膜法形成。在本发明的一个实施方式中，如图2所示，从下面起，以由CoFeB 或FeB形成的第1磁性层4cl、以及由CoFe或Fe形成的第2磁性层4c2 的顺序层叠形成所述第2固定磁性层4c。此时，优选所述第l磁性层4cl由(CoxFe则一x) 100—yBy形成，B组 成比Y为15 30at%，原子比率X为0 80%。并且优选所述第1磁性层 4cl的平均膜厚为10 30A。由此，可以得到高电阻变化率(A R/R)。另夕卜，优选所述第2磁性层4c2由CozFe刚—z形成，此时，优选在0 80at。/。的范围内调整Co组成比Z。并且优选所述第2磁性层4c2的平均膜 厚为6 12A。由此，可以得到高电阻变化率(A R/R)。其次，对所述第2固定磁性层4c的表面进行等离子处理。所述等离 子处理是为了提高所述第2固定磁性层4c表面的平坦性而进行的，但是 本发明的一个实施方式中，在平坦性优良的第1磁性层4cl上层叠膜厚很 薄的第2磁性层4c2的构造中，所述第2固定磁性层4c表面的平坦性本 来就处于优良的状态，所以进行所述等离子处理是任意的。然后，在所述第2固定磁性层4c上，形成由Mg—O构成的绝缘障壁 层5。在本发明的一个实施方式中，准备由Mg—O构成的靶(target)， 通过RF溅射法等，直接形成由Mg—0构成的绝缘障壁层5。另外，也可以在所述第2固定磁性层4c上溅射成膜Mg层，氧化所述 Mg层形成由Mg—O构成的绝缘障壁层5。作为氧化的方法可以列举根氧 化、离子氧化、等离子氧化或自然氧化等。此时，所述Mg层以2 10A 左右的膜厚形成。其次，在图5所示的工序中，在所述绝缘障壁层5上，成膜增强层6a 及软磁性层6b构成的自由磁性层6，以及保护层7。在本发明的一个实施方式中，优选由Fe组成比为5at。/。以上、90at% 以下的CoFe形成所述增强层6a。并且，优选由Ni的组成比为78at% 92at。/。的范围内的NiFe合金形成所述软磁性层6b。以上，从基础层1层叠到保护层7，形成层叠体T1。接着，所述层叠体Tl上，形成提离(lift-off)用抗蚀层30，没有被 所述提离用抗蚀层30覆盖的所述层叠体Tl的轨道宽度方向(图示X方向) 的两侧端部，通过蚀刻法等除去(参照图6)。接着，在所述层叠体T1的轨道宽度方向(图示X方向)的两侧，所 述下部屏蔽层21上，从下面起，按下侧绝缘层22、硬偏压层23、以及上 侧绝缘层24的顺序层叠(参照图7)。然后除去所述提离用抗蚀层30，在所述层叠体T1以及所述上侧绝缘 层24上形成上部屏蔽层26。在上述隧道型磁检测元件的制造方法中，在其形成过程中包含退火处 理。代表性的退火处理，是用于在所述反铁磁性层3与第1固定磁性层4a
之间产生交换结合磁场(Hex)的退火处理。如果所述退火处理的温度是例如低于200'C的温度，则认为各层界面 不发生构成元素的相互扩散，或者即使产生相互扩散，也是小规模(例如 不在整个界面产生扩散，只间断性产生等)，几乎保持界面状态。另一方面，如果所述退火温度处于200'C 310'C的范围内，并且退火 时间为4小时以上，则认为各层界面发生构成元素的相互扩散。根据这些 相互扩散，所述第2固定磁性层4c内部，第1磁性层4cl与第2磁性层 4c2的界面不复存在，形成B浓度的组成调制区域。在本发明的一个实施方式中，根据上述制造方法，可以简单并且确切 的制造可以得到高电阻变化率(A R/R)的隧道型磁检测元件。特别是如上所述，通过使第2固定磁性层4c为第1磁性层4cl与第2 磁性层4c2的2层层叠结构，与所述第2固定磁性层4c由CoFeB单层形 成的现有例相比，可以得到高电阻变化率(A R/R)。本发明的一个实施方式的制造方法，是所谓底部型的隧道型磁检测元 件的制造方法，但是，本制造方法也可以适用所谓顶部型的隧道型磁检测 元件和双重型的隧道型磁检测元件。实施例形成了图1所示的隧道型磁检测元件。将层叠体T1，从下面起，以基础层l: Ta(30)/晶种层2: (Ru (40) /反铁磁性层3: IrMn(70)個定磁性层4[第1固定磁性层4a: Co7()at%Fe3()at% (22) /非磁性中间层4b: Ru (9.1) /第2固定磁性层(Co5()%Fe5()%) 100 一YBY (20) ] /绝缘障壁层5: Mg—O (11) /自由磁性层6[增强层6a: Co醫JFe滅(10) /软磁性层6b: M87at%Fe13at% (50) ]/保护层7[Ru (20) /Ta (180)]的顺序层叠。并且括弧内的数值表示平均膜厚，单位是A。在形成所述绝缘障壁层5之前，将所述第2固定磁性层4c的表面进 行等离子处理后，利用Mg—O靶，通过溅射法，在第2固定磁性层4c上， 形成所述绝缘障壁层5。另外在实验中，对上述层叠体，在270'C的条件下，进行了3小时30 分钟的退火处理。在实验中，作为第2固定磁性层4c，形成了以下构造。(实施例1)从下面起，按照(C050%Fe5oo/0) 85at%Bl5at% (22) / Co50at%Fe50at% (4)的 顺序层叠的结构。 (实施例2)从下面起，按照(Co5()%Fe5o%) 77at%B23at% (20) / Co5Qat%Fe5()at% (6)的顺序层叠的结构。 (实施例3)从下面起，按照(Co5Q%Fe5()%) 7Qat%B3()at% (18) / Co5oat%Fe5()at% (8)的顺序层叠的结构。 (实施例4)从下面起，按照(Co50%Fe50%) 70at%B30at% (tl) / Co50at%Fe50at% (8)的 顺序层叠的结构，此处，第1磁性层4cl的膜厚tl分别是16、 18、 20、 22、 24人。(实施例5)从下面起，按照(Co5Q%Fe5()%) 7oat%B3Qat% (tl) / Co5()at%Fe5()at% (9)的 顺序层叠的结构，此处，第1磁性层4cl的膜厚tl分别是16、 18、 20、 22、 24A。(实施例6)从下面起，按照(Co5Q%Fe5Q%) 7Qat%B3()at% (tl) /Co5()at%Fe5。at% (10)的 顺序层叠的结构，此处，第1磁性层4cl的膜厚tl分别是16、 18、 20、 22、 24A 。(实施例7) (实施例13)从下面起，按照(Co5()%Fe5。％) 7()at%B3。at% (20) / Co5()at%Fe5()at% (t2)的 顺序层叠的结构，此处，第2磁性层4c2的膜厚t2分别是6、 7、 8、 9、 10、 11、 12A。(比较例1)(Co50%Fe50%) 80at%B20at% (26)的单层构造 上述实施例1 实施例12以及比较例1的带括号的表示平均膜厚，单 位是A。对具备这些结构的第2固定磁性层4c的各隧道型磁检测元件，测定 了电阻变化率(△ R7R) 、 RA (元件电阻RX面积A)、以及层间结合磁 场(Hin)。图8表示关于实施例1 3以及比较例1， RA和电阻变化率(A R/R) 的关系。并且在图8的实验中，关于实施例1 3以及比较例1的各样品， 在8 12A之间改变由Mg—O形成的绝缘障壁层5的厚度，使各样品的 RA发生变化。如图8所示，第2固定磁性层4c为第1磁性层4cl与第2磁性层4c2 的层叠结构的实施例1 3，与由第1磁性层单层形成第2固定磁性层4c 的比较例1相比，都表现出高电阻变化率(△ R/R)。另外，与比较例1 相比，实施例1 3的RA稍微有些大，可是还不至于给头特性带来很大 的影响。图9表示关于实施例4 6，第l磁性层4cl的膜厚(tl)和电阻变化 率(A R/R)的关系。如图9所示，得知由CoFeB形成的第1磁性层4cl的膜厚处于16 24A的范围内时，电阻变化率(A R/R)大致可以保持相同值。图10表示第2磁性层4c2的膜厚(t2)为6 12A的实施例7 13， 以及由CoFeB单层形成第2固定磁性层4c的比较例1 (即第2磁性层4c2 的膜厚为0A)的电阻变化率(△ R/R)。根据图IO，第2磁性层4c2的膜厚为6 12A的实施例7 13，与第 2磁性层4c2的膜厚为0A的比较例1相比，得知电阻变化率(A R/R)都 有所提高。还得知，第2磁性层4c2的膜厚为7 11A，特别是8 10A时， 可以得到更高的电阻变化率(A R/R)。图11表示关于实施例7 13以及比较例1，作用于自由磁性层6和固 定磁性层4之间的层间结合磁场(Hin)。根据图ll得知，第2磁性层4c2的膜厚处于6 12A的范围内时，与 比较例1相比，可以减小层间结合磁场Hin。由此推测，与比较例l相比， 本实施例的固定磁性层和绝缘障壁层的界面的平坦性有所提高。另外如图 ll所示，在实施例中，得知第2磁性层(CoFe层)的平均膜厚越大，层 间结合磁场Hin越小。由此，当第2磁性层4c2的平均膜厚处于6 12A 的范围内时，优选在该范围内增加平均膜厚。
由以上实验结果可知，通过使第2固定磁性层4c为第1磁性层4cl 与第2磁性层4c2的层叠结构，可以得到高电阻变化率(A R/R)。
权利要求
1.一种隧道型磁检测元件，其从下面起，以磁化被固定的固定磁性层、绝缘障壁层、磁化相对于外部磁场变动的自由磁性层的顺序层叠，或者从下面起，以所述自由磁性层、所述绝缘障壁层、所述固定磁性层的顺序层叠，所述绝缘障壁层由Mg-O形成，构成所述固定磁性层的至少一部分，且与所述绝缘障壁层相接的障壁层侧磁性层由以下构成由CoFeB或FeB形成的第1磁性区域；位于所述第1磁性区域和所述绝缘障壁层之间的、由CoFe或Fe形成的第2磁性区域。
2. 如权利要求1所述的隧道型磁检测元件，其中，所述第1磁性区域中，存在从与所述第2磁性区域的边界的相反侧， 朝向所述第2磁性区域，B浓度逐渐减少的组成调制区域。
3. 如权利要求1所述的隧道型磁检测元件，其中， 所述障壁层侧磁性层是层叠了由CoFeB或FeB形成的第1磁性层、和位于所述第1磁性层与绝缘障壁层之间的由CoFe或Fe形成的第2磁性 层的层叠构造，在该层叠构造的所述第1磁性层与所述第2磁性层的界面 产生了元素扩散。
4. 一种隧道型磁检测元件，其从下面起，以磁化被固定的固定磁性 层、绝缘障壁层、磁化相对于外部磁场变动的自由磁性层的顺序层叠，或 者从下面起，以所述自由磁性层、所述绝缘障壁层、所述固定磁性层的顺 序层叠，所述绝缘障壁层由Mg—O形成，构成所述固定磁性层的至少一部分，且与所述绝缘障壁层相接的障壁 层侧磁性层由以下层的层叠构造形成由CoFeB或FeB形成的第1磁性 层；位于所述第1磁性层与所述绝缘障壁层之间，由CoFe或Fe形成的第 2磁性层。
5. 如权利要求3所述的隧道型磁检测元件，其中， 所述第1磁性层由(CoxFe1()()—x)咖—yBy形成，B组成比Y为15 30at%。
6. 如权利要求3所述的隧道型磁检测元件，其中， 所述第1磁性层的平均膜厚为10 30A。
7. 如权利要求3所述的隧道型磁检测元件，其中，所述第2磁性层由CozFe1()(3—z形成，Co组成比Z为0 80at%。
8. 如权利要求4所述的隧道型磁检测元件，其中， 所述第2磁性层的平均膜厚为6 12A。
9. 如权利要求1所述的隧道型磁检测元件，其中， 所述障壁层侧磁性层、所述绝缘障壁层、以及至少所述自由磁性层的与所述绝缘障壁层相接的部分，在与膜面平行的面上，作为代表性的{100} 面表示的等价的体心立方结构的结晶面优先取向。
10. 如权利要求1所述的隧道型磁检测元件，其中， 所述固定磁性层是第1固定磁性层和第2固定磁性层夹着非磁性中间层层叠的层叠氧化铁构造，所述第2固定磁性层是与所述绝缘障壁层相接 的所述障壁层侧磁性层。
11. 如权利要求1所述的隧道型磁检测元件，其中， 所述自由磁性层层叠有与所述绝缘障壁层相接且由CoFe形成的增强层和由NiFe合金形成的软磁性层。
12. —种隧道型磁检测元件的制造方法，所述隧道型磁检测元件具备: 从下面起，以磁化方向被固定的固定磁性层、绝缘障壁层、以及磁化方向 相对于外部磁场可变动的自由磁性层的顺序层叠的层叠部分，其中，所述 隧道型磁检测元件的制造方法具备如下工序(a) 在由CoFeB或FeB形成的第1磁性层上层叠由CoFe或Fe形成 的第2磁性层，形成构成所述固定磁性层的至少一部分的障壁层侧磁性层 的工序；(b) 在所述障壁层侧磁性层上形成由Mg—O构成的绝缘障壁层的工序；(c) 在所述绝缘障壁层上形成所述自由磁性层的工序。
13. —种隧道型磁检测元件的制造方法，所述隧道型磁检测元件具备: 从下面起，以磁化方向相对于外部磁场可变动的自由磁性层、绝缘障壁层、 以及磁化方向被固定的固定磁性层的顺序层叠的层叠部分，其中，所述隧 道型磁检测元件的制造方法具备如下工序(d) 形成所述自由磁性层的工序；(e) 在所述自由磁性层上形成由Mg—O构成的绝缘障壁层的工序；(f) 在所述绝缘障壁层上层叠由CoFe或Fe形成的第2磁性层以及 由CoFeB或FeB形成的第1磁性层，形成构成所述固定磁性层的至少一 部分的障壁层侧磁性层的工序。
14. 如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法，其中， 形成所述第l磁性层时，由(C0xFei。。-x) 1()()—yBy形成所述第1磁性层，此时，在15 30at。/。的范围内调整B组成比Y。
15. 如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法，其中， 所述第1磁性层以10 30A的平均膜厚形成。
16. 如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法，其中， 形成所述第2磁性层时，由CozFeu)0—z形成所述第2磁性层，此时，在0 80atn/。的范围内调整Co组成比Z。
17. 如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法，其中， 所述第2磁性层以6 12A的平均膜厚形成。
18. 如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法，其中， 形成所述绝缘障壁层时，形成Mg层，之后，氧化所述Mg层，形成由Mg—O构成的所述绝缘障壁层。
19. 如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法，其中， 形成所述绝缘障壁层时，使用Mg—O的靶，形成由Mg—O构成的所述绝缘障壁层。
20. 如权利要求12所述的隧道型磁检测元件的制造方法，其中， 形成所述层叠部分后，进行退火处理。
全文摘要
本发明特别涉及由Mg-O形成绝缘障壁层的隧道型磁检测元件，提供可以得到高电阻变化率(ΔR/R)的隧道型磁检测元件及其制造方法。第2固定磁性层(4c)，从下面起，以由CoFeB或FeB形成的第1磁性层(4c1)、以及由CoFe或Fe形成的第2磁性层(4c2)的顺序层叠。所述第2固定磁性层(4c)上，形成有由Mg-O构成的绝缘障壁层(5)。像这样通过使第2固定磁性层(4c)为CoFeB或FeB/CoFe或Fe的层叠构造，可以得到高电阻变化率(ΔR/R)。
文档编号H01L43/08GK101150169SQ20071015277
公开日2008年3月26日 申请日期2007年9月20日 优先权日2006年9月21日
发明者中林亮, 五十岚一聪, 井出洋介, 小林秀和, 斋藤正路, 梅津英治, 田中健一, 西山义弘, 西村和正, 长谷川直也 申请人:阿尔卑斯电气株式会社