专利名称：磁阻效应元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及磁阻效应元件和所述磁阻效应元件的制造方法，所述磁阻效应元件用于磁盘驱动装置的读取元件和磁性存储器(MRAM)。
技术背景日本专利公开公报No.2005-340715公开了包括磁阻效应元件的传统 磁盘驱动装置。所述磁盘驱动装置如图4所示。TMR元件10B用作磁阻 效应元件。在TMR元件10B中，依次层积阻挡层8、反铁磁性层5、磁 化固定层4、隧道阻挡层(阻挡层)3、磁化自由层(自由层)2和顶涂 层1。隧道阻挡层(阻挡层)3使磁化自由层(自由层)2与磁化固定层4 在磁性上绝缘，并且施加对应于磁化自由层2的磁化方向的隧道电流。 阻挡层3由诸如氧化铝、氧化镁等绝缘材料构成。所述阻挡层3通过将 溅射金属膜氧化而形成(参见该专利公开公报的第0016段)。磁阻效应元件的传统制造方法如图5A-5C所示，所述磁阻效应元件 用于磁盘驱动装置的读取元件。在图5A中，首先，在晶片基板12上形成底层14。然后，在底层14 上依次形成反铁磁性层16、第一磁化固定层18a、钌(Ru)层18b和第 二磁化固定层18c。将第一磁化固定层18a、钌(Ru)层18b和第二磁化 固定层18c称为被钉扎层。所述第一磁化固定层18a和第二磁化固定层 18c由诸如Co-Fe合金等铁磁性材料构成。在图5B中，利用溅射法在第二磁化固定层18c上形成金属膜20， 例如铝膜。金属膜20的厚度约为5A。接着，将晶片基板12放入氧气气氛室中以氧化金属膜20，从而金 属膜20变为铝氧化物(Al-Oxide或AIO)。 注意，在以下说明中，在氧气气氛中将物质氧化被称为"自然氧化"。由Al-Oxide构成的金属膜20作为所述阻挡层(隧道阻挡层)。通过使金属膜20氧化，所述金属膜的体积增大以使金属膜20增厚。 例如，当金属膜20的初始厚度约为5A时，由Al-Oxide构成的被氧化的 金属膜20的厚度将约为10 A。在图5C中，在所述阻挡层(被氧化的金属膜)上形成自由层22， 并且在自由层22上形成顶涂层24。艮口，所述磁阻效应元件由底层14、反铁磁性层16、第一磁化固定层 18a、钌(Ru)层18b、第二磁化固定层18c、阻挡层20、自由层22和顶 涂层24构成。在所述传统制造方法中，当金属膜20被自然氧化时，部分第二磁化 固定层18c将与金属膜20 —起被氧化。如果第二磁化固定层18c被氧化，则第二磁化固定层18c的例如MR (磁阻)比等特性变差，以致所述磁阻效应元件(读取元件)的读取特 性变差。发明内容为解决上述问题而做出了本发明。本发明的一个目的在于提供磁阻效应元件，当作为阻挡层的金属膜 被自然氧化时，所述磁阻效应元件能够抑制形成在阻挡层下的磁化固定 层的氧化，以便防止所述磁化固定层的磁特性劣化并且稳定读取特性。本发明的另一个目的在于提供所述磁阻效应元件的制造方法。为达到所述目的，本发明具有以下结构。本发明者发现，从表面开始自然氧化阻挡层(金属膜)时，在层积 方向上氧化的进行状况与阻挡层(金属膜)的结晶状况之间存在关系。 进而，基于这种关系，本发明者进行了研究，发明了在不氧化磁化固定 层的条件下氧化阻挡层的技术。艮P，磁阻效应元件(其包含磁化固定层、形成在所述磁化固定层上 的阻挡层和形成在所述阻挡层上的自由层)的制造方法包括以下步骤 在基板上形成所述磁化固定层；形成金属膜作为所述阻挡层，其中，所 述磁化固定层侧的金属膜的一部分由无定形物质或微晶物质构成，而在另一侧的金属膜的另一部分由结晶物质构成；在氧化性气氛中自然氧化 所述金属膜；和在所述被氧化的金属层上形成所述自由层。使用此方法，使磁化固定层侧的金属膜的一部分形成无定形状态或 微晶态，而使另一侧的金属膜的另一部分形成晶态。金属膜的氧化从晶 界开始进行，并且金属膜的所述一部分不含晶界或包含微晶，从而氧化 均匀地进行。与所述传统方法不同，对于顺着层积方向延伸直到达到磁 化固定层的晶界，该氧化不沿该晶界进行，并且在达到磁化固定层前阻 挡层的氧化可以被容易地停止。即，可以氧化金属膜的所述一部分，而 不氧化磁化固定层。在所述方法中，在金属膜形成步骤中，金属膜的所述一部分的成膜 速率可以低于金属膜的所述另一部分的成膜速率，以便使所述一部分中 的晶粒小于所述另一部分中的晶粒。用此方法，可以降低成膜速率来形 成无定形物质或微晶物质。在所述方法中，在金属膜形成步骤中可以通过溅射法形成金属膜， 并且用于形成金属膜的所述一部分的施加到基板上的电功率可以小于用 于形成金属膜的所述另一部分的施加到基板上的电功率，以便使金属膜 的所述一部分的成膜速率降低。在所述方法中，用于形成金属膜的所述一部分的电功率可以为1 W/cm2 3 W/cm2，并且用于形成金属膜的所述另一部分的电功率可以为5 W/cm2 10 W/cm2。在所述方法中，所述金属膜的所述一部分的厚度可以为所述金属膜 厚度的30% 50%。另一方面，本发明的磁阻效应元件包含磁化固定层；形成在所述 磁化固定层上的阻挡层；和形成在所述阻挡层上的自由层，并且其特征 在于，所述阻挡层为被氧化的金属膜，其中，在所述磁化固定层侧的金 属膜的一部分由无定形物质或微晶物质构成，而在另一侧的金属膜的另 一部分由结晶物质构成。
利用此结构，在所述磁化固定层侧的金属膜的所述一部分由无定形 物质或微晶物质构成，而在另一侧的金属膜的所述另一部分由结晶物质 构成。金属膜的氧化从晶界开始进行，并且金属膜的所述一部分不含晶 界或包含微晶，从而氧化均匀地进行。与所述传统方法不同，对于顺着 层积方向延伸直到达到磁化固定层的晶界，该氧化不沿该晶界进行，并 且在达到磁化固定层前阻挡层的氧化可以被容易地停止。即，可以氧化 金属膜的所述一部分，而不氧化磁化固定层。在所述元件中，阻挡层的厚度的30% 50%可以由被氧化的无定形 物质或被氧化的微晶物质构成。通过使用本发明的方法，当金属膜被自然氧化时，在作为阻挡层的 金属膜下方的磁化固定层的氧化可以被大大抑制。因此，可以抑制磁化 固定层的磁特性的劣化，并且可以稳定元件的读取特性。
现在，将通过实施例并且参考附图对本发明的实施方案进行说明， 其中图1A 图1C为给出本发明实施方案的磁阻效应元件制造步骤的说 明图。图2为由所述实施方案的方法形成的金属膜的晶体结构的说明图。图3为由所述实施方案的方法和传统方法形成的磁化固定层(第二 磁化固定层)的MR比的图。图4为所述传统磁阻效应元件的截面图。图5A 图5C为所述传统磁阻效应元件的制造步骤的说明图。图6为由所述传统方法形成的金属膜的晶体结构的说明图。
具体实施方式
下面将参考附图，对本发明的优选实施方案进行详述。以下参考图1A-1C对本实施方案的磁阻效应元件的制造方法进行说明。 在图1A中，首先，在晶片基板12上形成底层14。然后，在底层14 上依次形成反铁磁性层16、第一磁化固定层18a、钌(Ru)层18b和第 二磁化固定层18c。将第一磁化固定层18a、钌(Ru)层18b和第二磁化 固定层18c称为被钉扎层。所述第一磁化固定层18a和第二磁化固定层 18c由诸如Co-Fe合金等铁磁性材料构成。在图5B中，利用溅射法在第二磁化固定层18c上形成诸如铝膜等金 属膜21。金属膜21的厚度约为5 A。在第二磁化固定层18c侧形成所述金属膜21的下部21a，下部21a 的厚度为1.5 A 2.5 A，下部21a的厚度为金属膜21的总厚度的30% 50%。下部21a由无定形物质或微晶物质构成。另一方面，在自由层侧形 成厚度为2.5 A 3.5 A的金属膜21的上部21b。上部21b由结晶物质构 成。具体地说，当形成金属膜21时，金属膜21的下部21a的成膜速率 低于其上部21b的成膜速率，或者下部21a的形成比上部21b慢，以便 使下部21a中的晶粒小于另一部分21b中的晶粒。更准确地说，当利用溅射法形成金属膜21时，用于形成金属膜21 的下部21a的施加到基板12上的电功率较低，从而下部21a的成膜速率 将较低或较慢。另一方面，当形成金属膜21的上部21b时，提高施加到 基板12上的电功率，以便提高成膜速率或较快地形成上部21b。优选的是，用于形成金属膜21的下部21a的施加到基板12上的电 功率为1 W/cm2 3 W/cm2，从而下部21a由无定形物质或微晶物质构成。 另一方面，用于形成其上部21b的电功率为5 W/cm2 10W/cm2，从而上 部21b由结晶物质构成。形成金属膜21的下部21a和上部21b时，可以经两个阶段来改变其 成膜速率，也可以经三个以上阶段来改变其成膜速率。例如，可以经三 个以上阶段来改变电功率，从而向上部21b逐渐提高成膜速率。在这种 情况中，连续提高施加到基板12上的电功率。形成金属膜21后，将基板12放入氧气气氛室中，以便自然氧化金 属膜21。注意，对该室内的氧气气氛没有限制。例如，压力为70Pa
1000 Pa，优选约为130Pa，并且氧化时间约为10分钟 30分钟。通过氧化处理，金属膜21变为铝氧化物(Al-Oxide或AlO)。由Al-Oxide构成的金属膜21作为阻挡层(隧道阻挡层)。通过使金属膜21氧化，金属膜的体积增加，从而使金属膜21增厚。 例如，当金属膜21的初始厚度约为5A时，由Al-Oxide构成的被氧化的 金属膜21的厚度将约为10 A。在图1C中，在阻挡层(被氧化的金属膜)21上形成自由层22，并 且在自由层22上形成顶涂层24。艮口，作为读取元件的磁阻效应元件(TMR元件)"A"由底层14、 反铁磁性层16、第一磁化固定层18a、钌(Ru)层18b、第二磁化固定层 18c、阻挡层21、自由层22和顶涂层24构成。图2为由本实施方案的方法形成的金属膜21的晶体结构的说明图。 另一方面，图6为由传统方法形成的金属膜20的晶体结构的说明图。在 图2和图6中，线20、 21和26代表晶体的晶界。在如图6所示的传统磁阻效应元件中，在自然氧化过程中，氧化首 先从晶界26开始进行。换言之，氧化首先沿晶界26进行，所述晶界26 顺着层积方向延伸，直到达到金属膜20与第二磁化固定层18c的交界部 分。在金属膜20完全氧化之前，氧化先达到第二磁化固定层18c中的部 分28(见图6)，由此开始第二磁化固定层18c的氧化。如果在氧化到达第二磁化固定层18c之前停止氧化过程，以便防止 第二磁化固定层18c被氧化，则金属膜20不能完全磁化。另一方面，在如图2所示的本实施方案的金属膜21中，金属膜21 的下部21a由无定形物质或微晶物质构成，从而在下部21a中不包含晶 界或包含微晶物质。这样，氧化均匀地从上部进行到下部，从而在不氧 化第二磁化固定层18c的条件下，在可以将全部金属膜21氧化，直到接 近第二磁化固定层18c。利用此结构，可以大大防止磁化固定层的磁特性的劣化，并且可以 稳定磁阻效应元件A的读取特性。注意，金属膜21的材料不限于铝。可以使用选自钛、镁、铪、铊和
钽中的一种物质。即，阻挡层21由被氧化的铝、钛、镁、铪、铊或钽构 成。将金属膜20和21氧化后，本发明人测量了由本实施方案的方法和 传统方法所形成的第二磁化固定层18c的MR比。注意，本实验的底层14、铁磁性层16、第一磁化固定层18a、钌(Ru) 层18b、第二磁化固定层18c、自由层22和顶涂层24与上述实施方案相 同，因此省略其说明。在传统方法中，将固定的电功率(7.3452 W/cm2)施加到基板12上， 通过溅射铝来形成金属膜20，从而在第二磁化固定层18c上形成金属膜 20。金属膜20的成膜速率为固定速率，并且金属膜20由结晶物质构成。在实际的制造过程中，在旋转基板12的同时进行溅射，以便均匀地 形成金属膜20。然而，在实验中，将基板12固定，并且将其相对于溅射 的放电方向倾斜，以便测量不同膜厚的MR比。这样，将金属膜20的表 面相对于第二磁化固定层18c的表面倾斜。即，使金属膜20的厚度连续 变化。另一方面，在上述实施方案的方法中，将1.9716 W/cn^的电功率施 加到基板12上，通过溅射铝来首先形成金属膜21的下部21a，从而在第 二磁化固定层18c上形成下部21a。然后，将7.3452 W/cr^的电功率施加 到基板12上，通过溅射铝来形成金属膜21的上部21b，从而在其下部 21a上形成金属膜21的上部21b。用于形成金属膜21的下部21a的单位电功率非常小，以致成膜速率 非常低或慢。这样，以无定形态或微晶态形成部分21a中的铝膜。另一 方面，用于形成金属膜21的上部21b的单位电功率较大，因此成膜速率 如传统方法一样高或快。因此，上部21b中的铝膜结晶。在上述实施方案的方法中，也将基板12固定并且相对于溅射的放电 方向倾斜，以便使金属膜21的表面倾斜，并且使金属膜21的厚度连续 变化。注意，设定溅射法条件(例如形成下部21a和上部21b的溅射过程 的时间周期)，以形成由无定形物质或微晶物质构成的金属膜21的下部21a，所述下部21a的厚度约为金属膜21的总厚度的30%。利用传统方法和上述实施方案的方法形成金属膜20和21以后，分别将基板12放入氧气气氛室中，以便自然氧化金属膜20和21并且形成阻挡层。氧气气氛的压力为130Pa，氧化过程的时间为IO分钟。氧化处理之后，测量两个样品的第二磁化固定层18c的MR比。结果如图3所示。图3中的图表的横轴表示第二磁化固定层18c的RA值(每平方微 米的电阻)。注意，RA值随阻挡层20和21的厚度而变化。另一方面， 图表的纵轴表示与RA值相关的第二磁化固定层18c的MR比。在图3 中，曲线30表示带有由上述实施方案的方法形成的阻挡层21的样品； 曲线32表示带有由传统方法形成的阻挡层20的样品。根据图3，相对于所有被测RA值(阻挡层20和21的厚度)，具有 阻挡层21的样品的MR比高于具有阻挡层20的样品的MR比。如上所述，在本实施方案的磁阻效应元件A中，可以防止第二磁化 固定层18c的氧化，因而可以提高第二磁化固定层18c的例如MR比等 磁特性，并且可以改善磁化效应元件A的读取特性。只要不脱离本发明的必要特征的精神，本发明可以以其他特定形式 实现。因此，无论从哪方面来看，本发明的实施方案应被认为是解释性 的而不是限定性的，本发明的范围由权利要求而不是由前述说明来限定， 因此，权利要求旨在包括其等同含义和范围内的所有变化。
权利要求
1.一种磁阻效应元件的制造方法，所述磁阻效应元件包含磁化固定层、形成在所述磁化固定层上的阻挡层和形成在所述阻挡层上的自由层，所述制造方法包括以下步骤在基板上形成所述磁化固定层；形成金属膜作为所述阻挡层，其中，所述磁化固定层侧的金属膜的一部分由无定形物质或微晶物质构成，而在另一侧的金属膜的另一部分由结晶物质构成；在氧化性气氛中自然氧化所述金属膜；和在所述被氧化的金属层上形成所述自由层。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，在所述金属膜的形成步骤中，所述金属膜的所述一部分的成 膜速率低于所述金属膜的所述另一部分的成膜速率，以便使所述一部分 中的晶粒小于所述另 一部分中的晶粒。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，在所述金属膜的形成步骤中，利用溅射法形成所述金属膜， 并且，用于形成所述金属膜的所述一部分的施加到基板上的电功率小于用 于形成所述金属膜的所述另一部分的施加到基板上的电功率，以便使所 述金属膜的所述一部分的成膜速率较低。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，用于形成所述金属膜的所述一部分的电功率为1 W/cm2 3 W/cm2，并且用于形成金属膜的所述另一部分的电功率为5 W/cm2 10 W/cm2。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，所述金属膜的所述一部分的厚度为所述金属膜的厚度的 30% 50%。
6. —种磁阻效应元件，所述元件包含磁化固定层；形成在所述磁化固定层上的阻挡层；和形成在所述阻挡层上的自由层，其中，所述阻挡层为被氧化的金属膜，其中，所述磁化固定层侧的金属膜的一部分由无定形物质或微晶物质构成，而在另一侧的金属膜的另一部分为结晶物质。
7.如权利要求6所述的磁阻效应元件，其中，所述阻挡层的厚度的30% 50%由被氧化的无定形物质或被 氧化的微晶物质构成。
全文摘要
本发明涉及磁阻效应元件及其制造方法。所述磁阻效应元件包含磁化固定层；形成在所述磁化固定层上的阻挡层；和形成在所述阻挡层上的自由层。所述磁阻效应元件的制造方法包括以下步骤在基板上形成所述磁化固定层；形成金属膜作为所述阻挡层，其中，所述磁化固定层侧的金属膜的一部分处于无定形状态或微晶态，而在另一侧的其另一部分处于晶态；在氧化性气氛中自然氧化所述金属膜；在所述被氧化的金属层上形成所述自由层。
文档编号G11B5/39GK101154388SQ20071010554
公开日2008年4月2日 申请日期2007年5月25日 优先权日2006年9月29日
发明者小田切充, 平野浩二 申请人:富士通株式会社