铁磁隧道结元件、磁记录装置以及磁存储器装置的制作方法

专利名称：：铁磁隧道结元件、磁记录装置以及磁存储器装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及铁磁隧道结元件，其中所述铁磁隧道结元件是电阻随所施加的磁场变化的磁阻效应元件。
背景技术：
：铁磁隧道结元件具有铁磁金属/绝缘层/铁磁金属结构以及其中的绝缘层，所述绝缘层产生电子可以通过隧道效应穿过的能量势垒。在本说明书中，"/"意指"和"。对于铁磁隧道结元件，隧道概率(隧道阻抗)依赖于上和下磁层的磁化状态。这意味着，可以通过施加外部磁场控制铁磁金属的磁化状态来控制隧道阻抗。典型的是，铁磁隧道结元件具有钉扎层(pinnedlayer)/绝缘层/自由层结构。绝缘层夹在钉扎层和自由层之间，所述钉扎层不容易受外部磁场影响，而在所述自由层中磁化方向容易在外部磁场影响下被切换(toggle)。对于铁磁隧道结，隧道磁阻(TuMR)效应带来比各向异性磁阻(AMR)效应更高的磁阻变化率(MR率)和巨磁阻(GMR)。为此，应用铁磁隧道结元件的磁头被期望成为用于以更高分辨率进行磁记录/再现的有效工具(参见日本专利No.2871670)。例如，已经提供了具有Fe/MgO/Fe分层体，换言之，具有由氧化镁氧化物制成的绝缘层和由单晶体Fe制成的铁磁层的铁磁隧道结元件(参见非专利文献1;Yuasa等,NatureMaterialsvol.3，2004,p.868-p.871)。已知存在这样的问题，在环境温度下铁磁隧道结元件表现出200%或者更高的高MR率。因为其部分由MgO制成的铁磁隧道结元件产生特别大量的再现输出，所以其被预期为一种用于磁头等的理想材料。对于其绝缘层由MgO制成的铁磁隧道结元件，CoFe或CoFeB用于自由层的接触。由于MR率，相对于CoFe，CoFeB在特定强度的外部磁场下可驱动更大的阻抗变化。然而，在铁磁隧道结元件的自由层被构建为单层结构的情况中，矫顽磁性(coercivity)倾向于更大，这使得软磁属性较差。这带来了这样的问题，如果应用弱外部磁场，则不会转换自由层的磁化方向，并因此不会改变阻抗。为了解决该问题，通常在CoFeB层上形成诸如NiFe层的具有高软磁属性的层。然而，与未形成具有高软磁属性的层的情况相比较，淀积具有高软磁属性的层显著阻止了MR率。对于CoFeB，这种阻止更加明显。从实践角度来看，通常在隧道阻抗为3Q^ii^的情况下，要求MR率为60。/。或更大。然而，对于其中在自由层上形成了具有高软磁属性的层的结结构，这种MR率是不可获得的。
发明内容因此，本发明的目的是提供具有高MR率的铁磁隧道结元件，其屮在外部磁场的影响下可以容易地改变自由层的磁化方向。根据实施方式的一个方面，提供一种铁磁隧道结元件，该铁磁隧道结元件包括钉扎层，该钉扎层中保持至少部分磁化方向；形成在该钉扎层上的绝缘层，该绝缘层创建电子能够通过隧道效应流过的能量势垒；以及形成在该绝缘层上且由包含硼原子的第一铁磁材料制成的第一自由层。该第一自由层的磁化方向在外部磁场的影响下转换。在该第一自由层上形成有第二自由层。该第二自由层的磁化方向在该外部磁场的影响下转换，且与该第一自由层交换并耦合。该第二自由层由包含硼原子的第二铁磁材料制成。图1A和图1B分别示出本发明的第一实施例中铁磁隧道结元件的横截面图和平面图。图2示出在衬底上淀积的晶体层的XRD衍射的实施例。图3A和图3B是示出铁磁隧道结元件的实施例的生成方法的横截面图。图4是示出具有适合于铁磁隧道结元件的、悬浮在磁记录介质上方的磁头的示例性头滑块的横截面图。图5是示出图4中所示的头滑块的部分的横截面图。图6是示出具有包括实施例中的铁磁隧道结元件的磁头的磁记录装置的部分的图。图7A是示出应用实施例中的铁磁隧道结元件的磁随机存取存储器(MRAM)的横截面图，而图7B是其等效电路原理图。图8例示了MR率的测量方法。图9示出第一实施例中的铁磁隧道结元件的磁阻曲线。具体实施例方式本发明的铁磁隧道结元件可以包括其中磁化方向被保持在特定方向的钉扎层。在钉扎层上形成有绝缘层，所述绝缘层创建电子可以通过隧道效应流过的能量势垒。在绝缘层上形成有第一自由层，在所述第一自由层中磁化方向在外部磁场的影响下转换。第一自由层由包含硼原子的第一铁磁材料制成，并且在所述第一自由层上形成有与该自由层交换并耦合的第二自由层，在所述第二自由层中磁化方向在外部磁场的影响下转换。第二自由层由包含硼原子的第二铁磁材料制成。图1A和图1B分别是本发明的实施例中的铁磁隧道结元件的横截面图和平面图。图1A是沿虚线1A-1A截取的图1B的横截面图。如图1A中所示出，由NiFe制成的导电层12形成在由Si02层涂布的Si支撑衬底10上。作为用于支撑衬底10的材料，诸如AlTiC的陶瓷材料或硅玻璃可以用于替换。通过化学机械抛光(CMP)对导电层12的表面进行齐平处理。在导电层12的一部分上，以圆柱形状形成铁磁隧道结元件40。从底部到顶部，铁磁隧道结元件40包括第一下层13、第二下层14、钉扎层18、第一钉扎层20、非磁结层21、第二钉扎层22、绝缘层(势垒层)25、第一自由层30、第二自由层32、第一保护层(caplayer)35以及第二保护层36。第一下层13由厚度约为5nm的Ta制成。第一下层13可以由Cu或Au，或者Cu与Au的层体制成。第二下层14由厚度约为2nm的Ru制成。钉扎层18由厚度约为7nm的IrMn制成。钉扎层18可由其他反铁磁材料制成，该反铁磁材料例如为包含从Pt、Pd、Ni、Ir或Rh以及Mn中选择的至少一种元素的合金。优选的是，钉扎层18的厚度在范围5-30nm内，并且更优选的是，在范围10-20nm内。在形成钉扎层18之后，实行热处理以定序其中的结晶状态，从而获得反铁磁性。第一钉扎层20由74%的Co原子和26%的Fe(Co74Fe26)组成，并且这里，它的厚度在此被定义为2nm。在本说明书中，原子符号的下标指示原子量的比率，例如，在化合物由74°/。的Co和26%的Fe组成的情况中，化合物被表达为Co74Fe26。在本实施例中，非磁结层21由厚度为0.8nm的Ru制成。第二钉扎层22由0)6(^62必2()制成，并且厚度约为2nm。由于与钉扎层18的交换耦合效应，第一钉扎层20的磁化方向被保持在特定方向。这意味着，如果外部磁场弱于交换耦合效应导致的磁场，则第一钉扎层20的磁化方向不会因施加外部磁场而发生转换。在第一钉扎层20与第二钉扎层22之间，交换耦合穿过非磁结层21发生。非磁结层21的厚度在合理范围内，其中可以在第一钉扎层20与第二钉扎层22之间感生反铁磁交换耦合。该范围是从0.4nm到1.5nm，最优为从0.4nm到0.9nm。第一钉扎层20和第二钉扎层22可以由包含Co、Ni或Fe中任何一种的铁磁材料制成。除了Ru，非磁结层21可以由诸如Rh、Ir、Ru系合金、Rh系合金或Ir系合金的非磁材料制成。一种代表性的Ru系合金为从Co、Cr、Fe、Ni或Mn和Ru中选择的至少一种元素的合金。因为第一钉扎层20和第二钉扎层22的磁化方向在不平行状态中，所以从第一钉扎层20和第二钉扎层22泄漏的漏磁场的效应的强度较低。这抑制了转变第一自由层30和第二自由层32的磁化方向的漏磁场的负效应。由此，第一自由层30和第二自由层32的磁化可对来自磁记录介质的漏磁场产生反应，并且可以更准确地检测磁记录介质的磁化状态。绝缘层25由厚度为l.Onm的MgO制成。优选的是，绝缘层25的组成元素(MgO)为结晶的，更优选的是，MgO的(001)侧被定向为与衬底平行。这里，(001)指示MgO的晶格的(001)相被定向为与衬底平行。绝缘层25的厚度最优为在范围0.7-2.0nm范围中。除了MgO，绝缘层25可以由AI02、Ti02、Zr02、AIN、TiN、ZrN制成。如果绝缘层25由MgO之外的其他材料制成，则其厚度优选地被指定在0.5-2.0nm的范围中，更优选的是，被指定在0.7-1.2nm的范围中。第一自由层30由具有约2nm厚度的非晶形铁磁材料Co6()Fe2C)B20制成。为了便于制成非晶形第一自由层，第一自由层优选地包含浓度范围在12-24。/。内的B。据称,其中第一自由层30由非晶形材料制成的铁磁隧道结元件具有高MR率。除了CoFeB，第一自由层30可以由软磁材料和从C、Al、Si或Zr中选择的至少一种元素制成。第二自由层32由厚度为4nm的1^7^68320制成。第二自由层32由具有比第一自由层30更低的矫顽磁性的软磁材料制成。作为第二自由层32的组成元素的代表，有NiFe和CoNiFe。除了NiFeB，第二自由层32可以由软磁材料和从C、Al、Si或Zr中选择的至少一种元素制成。铁磁隧道结元件的典型结构为钉扎层/绝缘层/自由层结构，其中绝缘层夹在钉扎层和自由层之间。如前面所描述的，"/"意指"和"。钉扎层为铁磁层和绝缘层的中间层，并且其接触区中的磁化状态不容易在外部磁场的影响下被反向。自由层为接触绝缘层的层，其中磁化方向可以在外部磁场的影响下自由转变。本实施例中，钉扎层包括第一钉扎层20、非磁结层21以及第二钉扎层22。绝缘层包括绝缘层25。自由层包括第一自由层30和第二自由层32。这里，外部磁场被定义为具有足够强度以转变自由层的磁化状态的磁场，并且一般为几十Oe(奥斯特)或更大。这里，简要描述铁磁隧道结。对于铁磁隧道结，隧道概率(隧道阻抗)依赖于其上和其下的上、下磁层的磁化状态。这意味着，可以通过外部磁场控制隧道阻抗。在磁化的相对角度为6的情况下，通过以下公式给出隧道阻抗R:R=Rs+0.5AR(l~cose)(1)艮口，两个磁层的磁化方向都在一个指定方向(0=0)上时，隧道阻抗变为较低(R-Rs)。相反，在两个磁层的磁化被相反定向(6=180度)的情况下，隧道阻抗变为较高(R=Rs+AR)。这归因于铁磁衬底中的电子被极化的事实。一般来说，电子被分类成两种类型平行自旋的电子(上自旋电子)和不平行自旋的电子(下自旋电子)。在典型的非磁金属中，存在等量的两种类型的电子。因此，非磁金属中的磁化被中和。对于铁磁材料，上自旋电子(Nup)的数目和下自旋电子(Ndown)的数目不相等，从而其中的磁性整体为上自旋状态或下自旋状态。当隧穿(tunneling)时，这些电子维持隧穿时它们的自旋状态。因此，如果隧穿目的地的电子状态未被占用，则电子可以被隧穿。如果电子状态被占用，则电子不能隧穿。可以通过以下公式，用电子源的极化度和隧穿目的地的极化度的乘积表达隧道阻抗的变化率AR/Rs=2xPlxP2/(l-PlxP2)(2)其中-Pl、P2:两个磁层的极化度。因此，这些极化度可以用以下公式给出P-2(Nup-Ndo菌)/(Nup+Ndo催)(3)极化度P依赖于铁磁金属的类型。例如，NiFe、Co以及CoFe的极化度分别为0.3、0.34以及0.46。因此，MR率被分别假设为约为20%、26%、54%。在本实施例中，铁磁隧道结元件可以通过耦合第一自由层30和具有较低磁矫顽磁性的第二自由层32来增强它对外部磁场的敏感性(转变自由层的磁化方向的容易度)。一般来说，铁磁层的矫顽磁性越低，铁磁层对外部磁场越敏感。因为第二自由层32的矫顽磁性低于第一自由层30的矫顽磁性，所以当外部磁层的方向变化时，第二自由层32的磁化方向在第一自由层30的磁化方向变化之前变化。因为第一自由层30和第二自由层32之间的交换耦合已经发生，所以随着第二自由层32的磁化方向的变化，第一自由层30的磁化方向也发生变化。因此，第一自由层30的磁化方向变得对外部磁场的变化更敏感。简言之，由于第一自由层30的磁化方向有助于MR率，所以形成第二自由层32增强了铁磁隧道结元件对外部磁场的响应。此外，本实施例中铁磁隧道结元件的MR率被改善的原因被认为是:1)因为包括B(硼)，第二自由层32具有非晶形结构。2)因为它的非晶形结构，在形成组成本实施例中的铁磁隧道结元件的层之后执行的热处理中，第二自由层32对第一自由层的化学结构没有很大的影响。3)因此，由钉扎层/绝缘层/包含硼原子的第一自由层组成的铁磁隧道结固有的高MR率不可能被减小。在第二自由层不包含B的情况下，第二自由层为具有结晶结构的固体材料，换言之，为结晶形材料。在形成铁磁隧道结元件的层之后执行的热处理中，这种结晶形材料可能影响第一自由层的结晶结构。例如，在第二自由层由Nis()Fe2()制成的情况下，第二自由层具有多晶物质，并且其结构为fcc(111)结构。对于其中在第一自由层上形成第二自由层的铁磁隧道结，在执行热处理中，在第二自由层的fcc结构(111)的影响下，第一自由层的非晶形CoFeB的结构可以变化为fee(111)结构。其中在绝缘层上形成了具有(111)定向的自由层的铁磁隧道结元件具有较差的MR率。由本实施例中的铁磁隧道结元件组成的自由层具有其中包含细晶材料的非晶形结构。在第一自由层30和第二自由层32具有细晶材料的情况下，与自由层由结晶形材料制成的情况相比，可以抑制MR率的降低。例如，当在透射电子显微镜(TEM)下观察隧道结元件的横截面时，如果可以在第一自由层30和第二自由层32中观察到定序的晶格，则第一自由层30和第二自由层32具有结晶形材料。在未观察到定序的晶格的情况下，第一自由层30和第二自由层32具有非晶形材料。此外，当通过x射线衍射(XRD)即x射线衍射计(e-2e)方法分析第一自由层30中的CoFeB时，如果产生的图案未示出任何衍射，则第一自由层30具有非晶形材料。图2示出根据对淀积在衬底上的晶体层的分析而产生的XRD衍射图案的实施例。晶体层由定向合金CoFeB(110)制成。图案A示出包含15%硼原子的晶体层的衍射结果。图案B示出包含10%硼原子的晶体层的衍射结果。图案A是示出衍射的实施例。图案B是示出很少或没有衍射的实施例。作为非晶层，第一自由层和第二自由层优选地包含10°/。或更高的硼原子。同时，在自由层包含太多硼原子的情况下，硼原子会成为杂质，该杂质可导致极化度减小和MR率降低。为此，硼原子的含量优选地为25%或更低。对于第一自由层30，与绝缘层25接触的区域可以被结晶。例如，在隧道结元件具有由MgO(001)制成的绝缘层和由CoFeB制成的自由层时，第一自由层在形成铁磁隧道结元件的层的阶段为非晶形的。然而，在之后执行的热处理中，一般来说，在绝缘层的晶体结构的影响下，第一自由层与MgO的(001)相接触的超薄表面被重结晶为具有bcc结构的CoFe(001)。由于该重结晶部分，隧道电流可以流动。如果大部分第一自由层30由非晶形材料和/或细晶材料制成，则第一自由层的阻抗比率将充分高于第一自由层由CoFe制成的情况。对本发明中的铁磁隧道结，在第一自由层的重结晶部分厚度为0.5nm左右时，该第一自由层在整体上可以被认为是非晶形的。此外，第一自由层中CoFe成分(不包括B)优选地为不被外部磁场影响，换言之，因为大磁致形变(magnetostriction)减弱了磁化，所以抗磁致形变成分削弱了软磁属性。因此，Co原子对Fe原子的组合比例优选地为75%或更低。然而，即使在Fe原子和Co原子相等组成的情况下，也可以通过加厚第二自由层来调整软磁属性。因此，无需规定第一自由层中CoFe的成分。对于第二自由层中NiFe成分(不包括B)，优选地具有比Fe原子更大量的Ni原子，以相对于第一自由层减小磁致形变。第一保护层35和第二保护层36防止热处理中或使用元件中在其下形成的铁磁层的氧化。第一保护层35由厚度为5nm的Ta制成。第二保护层36由厚度为10nm的Ru制成。另选的是，第一保护层35可以由Ru制成，而第二保护层36可以由Ta制成。更普通的是，保护层可以由诸如Au、Ta、Al、W、Ru的非磁金属制成，或者可以构建为由三种金属层组成的分层结构。保护层的厚度优选地在范围5-30nm内。导电层12的表面的未形成铁磁结元件40的部分覆盖有由诸如Si02的绝缘材料制成的绝缘层48。第一电极45被形成在铁磁隧道结元件40和绝缘层48上。第一电极45被电连接到第二保护层36。通向导电层12的通孔穿过绝缘层48形成，并且第二电极46被填充在通孔中，由此将第二电极46电连接到导电层12。第一电极45和第二电极46由Qi制成。接着，参照图3A和图3B，讨论本实施例中铁磁隧道结元件的生成方法。如图3A，在支撑衬底10上，通过磁控管溅射机形成遍布第二保护层36的导电层12。之后，利用在真空状态下施加磁场来对支撑衬底进行热处理。利用这种热处理，将第一钉扎层20和第二钉扎层22的磁化保持在特定方向。此外，组成绝缘层48的MgO的(001)相的晶体定向被特别定序，并且第一自由层与绝缘层的接触面进一步重结晶。例如，热处理温度为2S0。C，并且这里热处理时间为4小时。热处理的温度优选地在范围250-350°C内。在热处理温度未超过250°C的情况下，第一自由层与绝缘层的接触面不可能被重结晶，因此减小了MR率。如果热处理的温度超过350。C，则钉扎层的磁属性被损害，从而钉扎层的磁化可通过施加外部磁场被反向，这可能减小MR率。如图3B，通过从第一下层13到第二保护层36的构图，形成柱形铁磁隧道结元件40。对于这些层的构图，可以使用Ar离子铣削。之后，如图1A，形成绝缘层48、第一电极45、穿过绝缘层48的通孔以及第二电极46。图4是例示了应用本实施例中的铁磁隧道结元件的、悬浮在磁记录介质上方的磁头的头滑块的横截面图。头滑块具有元件部(dementpare)143。元件部43包括由例如Ah03-TiC制成的磁滑块基底51(图5)和用于将信息记录到磁记录介质146(图4)上/从磁记录介质146再现信息的磁头50。在头滑块140与磁记录介质146相对的表面140a(面向该介质的表面)的端部处，磁头50被布置在通风部140-1附近，其中形成有包括再现元件的元件部143和后面参照图5描述的记录元件。头滑块140被附接到万向架(gimbal)142上，所述万向架142被附接到板状悬架141上。通过弹簧以枢轴方式绞合(hinge)悬架141和万向架142。头滑块140的面向介质的表面140a因气流(图4中用"AIR(空气)"箭头指示)引起的升力(向上力)升起，所述气流在沿X方向(用图4中的箭头示出)旋转的磁记录介质146上流动。通过支撑头滑块140的悬架141施加向下的力。通过向上力和向下力的动力平衡将滑块140升起预定上升量(从元件部分143的表面到磁记录介质146的表面的距离)。元件部143检测从磁记录介质的记录层(未图示)泄漏的磁场。图5是例示了图4中示出的头滑块的部分的横截面图。磁头50包括在由Al203-TiC制成的头滑块基底51上形成的再现元件60，并且按照需要还包括在再现元件60上形成的记录元件53、铝层以及水生碳层(hydrogeneratedcarbonlayer)。记录元件53具有上部电极54，其与介质相对的表面的宽度等于磁记录介质的磁道宽度；下部电极56，其夹在由非磁材料制成的记录间隙层55和上部电极54之间；磁轭(yoke)(未图示)，其磁连接上部电极54与下部电极56;线圈(未图示)，其缠绕该磁轭，并且包括用于通过记录电流进行记录的磁场。上部电极54、下部电极56以及磁轭由具有高饱和磁通密度的诸如Ni8QFe加、CoZrNb、FeN、FeSiN、FeCo合金的软磁材料制成，以产生用于记录的磁场。记录元件53并不限于上面描述的一种，而可以是具有公知结构的记录元件。进一步作为另选的是，用于垂直磁记录的具有主磁极和副磁极的记录元件可以被用作记录元件53。此外，磁头50不是必须具有记录元件53。再现元件60具有陶瓷基底51、铝制的形成在陶瓷基底51上的绝缘层52、下部电极61、铁磁隧道结元件40、铝制的绝缘层65以及上部电极62。上部电极62被电连接到铁磁隧道结元件40的表面。在铁磁隧道结元件40的两侧，通过绝缘层63与铁磁隧道结元件40隔离地形成有磁域控制层64。磁域控制层64具有从底部到顶部由Cr层和铁磁CoCrPt层构建的分层体。磁域控制层64用来巩固钉扎层13、第一自由层15以及第二自由层18(包括图1中示出的铁磁隧道结元件)的磁域(防止巴克豪森噪声的生成)。下部电极61和上部电极62由诸如NiFe或CoFe的软磁合金制成，以用作磁屏蔽，并用作用于感测电流Is的通道。此外，可以在下部电极61和铁磁隧道结元件40之间形成诸如Cu层、Ta层或Ti层的导电层。铁磁隧道结元件40是图1中示出的本发明实施例中的铁磁隧道结元件。为了避免重复，将省略铁磁隧道结元件40的描述。例如，感测电流Is从上部电极62通过铁磁隧道结元件40沿垂直方向上流入下部电极61。铁磁隧道结元件40的隧道阻抗值根据来自磁记录介质的泄漏磁场的强度和方向变化。再现元件60将铁磁隧道结元件的隧道阻抗值的变化检测为电压漂移。以上面描述的方式，再现元件60再现记录在磁记录介质上的信息。感测电流Is流动的方向并不限于图5中示出的箭头指示的方向。此外，磁记录介质的旋转方向可以相反。再现元件60和记录元件53由铝膜、水生碳膜等涂覆，以防止腐蚀。因为磁头50具有再现元件60,而再现元件60具有隧道阻抗变化率高的铁磁隧道结元件40，所以信噪比(S/N比)较高。这使得即使在由于高记录密度造成来自磁记录介质的泄漏磁场被减弱的情况下，磁头50也能够以高S/N比检测信号。此外，对于铁磁隧道结元件40，可通过较弱的外部磁场容易地转换第一自由层15和第二自由层18的磁化。磁头对外部磁场的高敏感性支持了高记录密度。图6是示出适合于具有本实施例中的铁磁隧道结元件的磁头的磁记录装置的主要部分的样图。磁记录装置70包括外壳71、装载在外壳71中的盘状磁记录介质72、头滑块140、致动器单元73等。磁记录介质72被固定到磁盘轴(hub)74，并通过主轴马达(未图示)操作。头滑块140具有磁头145(未图示)。头滑块140被固定到悬架141的一端，并且悬架141的另一端被固定到臂75。臂75被附接到致动器单元74。通过致动器单元74在磁记录介质62的径向上转动头滑块140。在外壳71的背面，形成用于记录/再现控制、磁头定位和主轴马达控制的电子衬底(未图示)。磁记录介质72可以为纵向磁记录介质，其中记录层的易磁化轴被定向为平行于记录层的表面。纵向磁记录介质从底部到顶部包括例如由Cr或Or合金制成的下层、由CoCrPt合金制成的记录层、保护层以及润滑层。在下层的影响下，易磁化轴的定向被保持在与记录层的表面平行的方向上。另选的是，磁记录介质72可以是垂直磁记录介质，其中记录层的易磁化轴被定向为垂直于记录层的表面。垂直磁记录介质从底部到顶部包括例如衬底、软磁下层、内部层、由垂直磁化层构建的记录层、保护层以及润滑层。代表性记录层由诸如具有铁磁多晶结构的CoCrPt或具有柱形粒状结构的CoCrPt-Si02制成。记录层的易磁化轴定向自发地或在内部层的影响下变为与其表面平行。对于垂直磁记录介质，其上记录的磁化的热稳定性比纵向磁记录介质的热稳定性更优，因此，与纵向磁记录介质相比较，可以实现更高的记录密度。或者，磁记录介质72可以是倾斜定向的磁记录介质，其中记录层的易磁化轴的定向被倾斜。倾斜定向的磁记录介质从底部到顶部可以包括例如衬底、由Cr或Cr合金制成的下层、由CoCrPt合金制成的记录层、保护层以及润滑层。下层的晶体定向被相对于表面倾斜定向。在下层的影响下，记录层的易磁化轴的定向相对于表面倾斜。因为可以通过来ft磁头的用于记录的较小磁场使这种记录层的磁化方向反向，所以在记录属性(即记录性能)上更优。由于记录性能更优，与纵向磁记录介质和垂直磁记录介质相比较，倾斜定向的磁记录介质可以获得更高的记录密度。头滑块140具有磁头145(未图示)。磁头145的再现元件60具有较高S/N比，这使得即使在由于高记录密度造成从磁记录介质72泄漏的泄漏磁场的强度被降低的情况下，磁记录装置70也能够检测从磁记录介质72泄漏的泄漏磁场，并且检测到的信号的S/N比较高。因此，可以支持高记录密度。磁记录装置70的基本结构并不限于图6中示出的一种。此外，磁记录介质72的形状并不限于平圆形。例如，磁记录介质70可以是螺旋扫描/横向型磁带装置。对于螺旋扫描类型，磁头40被并入柱形头中，而对于横向类型，磁头40被并入磁带纵向运行时接触该磁带的头块中。图7A是采用本实施例中的铁磁隧道结元件的MRAM的横截面图。图7B是MRAM的等效电路原理图。在图7A中，示出正交坐标以供参考。对于正交坐标，Yl方向和Y2方向垂直于横截面图。之后，仅表示为X方向的方向意味着XI和/或X2方向的任意一种。同样，以相同方式指示Y和Z方向。粗略地描述，磁存储器装置80包括铁磁隧道结元件40和由MOS型场效应晶体管(FET)82组成的多个存储器单元81。作为MOS型FET，可以使用P沟道MOS型FET或N沟道MOS型FET。作为示例，这里将描述使用N沟道MOS型FET的磁存储器装置80，其中电子用作载流子。MOS型FET82具有包含在硅衬底83中形成的p型杂质的P阱84。在硅衬底83中形成的p阱区84的近表面处彼此分离地形成杂质扩散区85a和85b，其中掺杂n型杂质。杂质扩散区的一个85a被定义为源极S，而另一个85b被定义为漏极D。在两个杂质扩散区85a和85b之间的硅衬底83的表面上，形成栅极87。在栅极87和硅衬底83的表面之间，形成栅极绝缘层86。铁磁隧道结元件40的底部(即图1中示出的下层)被电连接到MOS型FET82的源极S。板线88被电连接到漏极D。栅极87被电连接到读字线89。栅极87可以兼任读字线89。未详细图示，铁磁隧道结元件40具有图1中示出的铁磁隧道结元件40的相同结构。可以通过热处理或形状各向异性来定向易磁化轴的方向。位线90被电连接在铁磁隧道结元件40的顶部上，即在图1A中示出的第二保护层36上。MOS型FET82的源极S如前所述被电连接到铁磁隧道结元件40的顶部。在铁磁隧道结元件40下方，隔开一空间形成写字线91。硅衬底83的表面和磁存储器装置80的栅极87由绝缘夹层93(例如氮化硅层或氧化硅层)覆盖。除上述电连接之外，通过绝缘夹层93电绝缘铁磁隧道结元件40、板线88、读字线89、位线90、写字线91、垂直布线94以及夹层布线95。接着，将讨论磁存储器装置的写/读性能。通过使用在铁磁隧道结元件40上方和下方形成的位线90和字线91来完成将信息写入磁存储器装置80的铁磁隧道结元件40。位线90在铁磁隧道结元件40上以X方向沿伸。当电流被施加到位线90时，该电流沿Y方向流入铁磁隧道结元件40。写字线91在铁磁隧道结元件卯下方沿Y方向沿伸。当电流被施加到写字线91时，该电流沿X方向流入铁磁隧道结元件40。除非充分施加磁场，否则铁磁隧道结元件40的第一自由层和第二自由层的磁化将保持在X方向(例如X2方向)和稳定的状态。因为在第一自由层和第二自由层之间发生磁交换耦合，所以它们的磁化平行。之后，除非明示，否则为了方便将"第一自由层和第二自由层的磁化"简单表达为"多层自由层的磁化"。在将数据写入铁磁隧道结元件40中时，电流被同时施加于位线90和字线91。例如，为了在X方向转换多层自由层的磁化方向，电流将被沿Y方向施加于写字线91，由此在XI方向定向铁磁隧道结40的磁场。被施加于位线90的电流可以是X1或X2方向中的任意一个方向。通过将电流施加于位线90，铁磁隧道结元件40中生成的磁场被定向为Yl/Y2方向，并用作用于"转换"多层自由层的磁化方向的磁场的一部分。换言之，通过结合Y1/Y2方向的电流，在X1方向施加磁场来在X1方向上翻转X2方向上多层自由层的磁化方向。在移除该磁场之后，除非施加用于下一写或擦除操作的磁场，否则多层自由层的磁化方向被保持在X1方向和稳定的状态中。以这种方式，根据多层自由层的磁化方向，可以将多个"1"或"0"写到铁磁隧道结元件40上。简言之，在钉扎层的磁化方向被保持在X1方向的情况下，当多层自由层的磁化方向在X1方向(具有低隧道阻抗)时指示l，当多层自由层的磁化方向在X2方向(具有高隧道阻抗)时指示0。当电流单独流过位线90或字线91时，不会导致多层自由层的磁化方向的反转。因此，可以仅在具有电流的位线90和具有电流的写字线91交叉的点处完成到铁磁隧道结元件40的记录操作。此外，为了防止当将电流施加于用于写操作的位线90时电流流过铁磁隧道结元件40，源极S附近被设置为高阻抗。通过将负电压经过位线90施加于源极S并将高于MOS型FET82的阈值电压的电压(正电压)施加于读字线89(即栅极87)来执行从磁存储器装置80的铁磁隧道结元件40读信息的操作。因此，MOS型FET被导通，并且电子从位线卯、铁磁隧道结元件40、源极S流出，随后通过板线88流到漏极D。根据每单位时间的电子流量，即电流值，可以检测归因于与多层自由层的磁化方向相对应的铁磁隧道效应的隧道阻抗值。因此，可以读取储存在铁磁隧道结元件40中的"1信息"和"0信息"。如根据第一实施例所述，铁磁隧道结元件40具有较高的隧道阻抗变化率。因为读操作中对应于"0"和"1"的隧道阻抗值之间的差异较大，所以磁存储器装置80可以正确地读取信息。除此之外，使用具有高软磁属性(即低矫顽磁性)的铁磁材料有助于减小在写操作中要施加的磁场。因此，可以减小写操作中施加于位线90和写字线91的电流值。由此，减小磁存储器装置80的功耗。此外，对于磁存储器装置80，铁磁隧道结元件40的隧道阻抗变化率受热处理的影响较小，所以磁存储器装置80有极好的抗热性。因此，在处理磁存储器装置80中，这有助于减弱在高温热处理期间(例如在通过CVD方法的形成绝缘夹层的处理期间)对应用于衬底的加热温度的限制。在本说明书中，尽管位线90被连接到铁磁隧道结元件40的保护层，并且源极S被连接到下层，但是相反连接也是可行的。此外，磁存储器装置80的结构并不限于上面描述的一种。图1中示出的铁磁隧道结元件可以应用于公知的磁存储器装置。本发明并不限于上面描述的实施例。这些实施例为示例，并且本发明的技术范围涵盖了具有与在本发明的范围内描述的技术思想大致相同的结构并具有相同效果的任何类型的示例。实施例1通过以下方式产生具有和图1中示出的铁磁隧道结元件相同的结构的第一实施例中的元件。使用磁控管溅射器装置，按照以下方式形成图3A中示出的分层体:1)在用Si02层覆盖的Si衬底10上形成由NiFe制成的导电层12。2)通过化学机械抛光(CMP)对分层体的表面进行齐平处理。3)通过Ar反溅射清洁导电层12的表面。4)在导电层12上形成由Ta制成的5nm厚的第一下层13。然后，5)形成由Re制成的2nm厚的第二下层14。6)由Ir2,Mn79制成7nm厚的钉扎层。7)由0)7^626制成2nm厚的第一钉扎层20。8)由Ru制成0.8nm厚的非磁结层21。9)由Co60Fe20B20制成2nm厚的第二钉扎层22。10)由MgO制成l.Onm厚的绝缘层25。11)由Co6oFe2oB2o制成2nm厚的第一自由层30。12)由^7^68820制成4nm厚的第二自由层32。13)由Ta制成5nm厚的第一保护层35。14)由Ru制成10nm厚的第二保护层。从底部到顶部形成这些层。然后，通过施加磁场以280。C实行5个小时的真空热处理。之后，如图3B中所示，通过从第一下层13构图穿过直径为0.6pm(p的圆形第二保护层36来形成柱形铁磁隧道结元件40。为了对这些层进行构图，使用Ar离子铣削处理。之后，通过RF溅射器形成由氧化硅组成的绝缘层48，通过RF溅射器形成由Au制成的第一电极45，通过干法刻蚀形成穿过绝缘层48的通孔；通过RF溅射器形成由Au制成的第二电极46，从而获得如图1A中示出的分层体。实施例2除由Co"Fe24Bs替代Co6oFe2oB2o制成第一自由层30(2nm)和由Ni85.5Fe9.5B5替代Ni72Fe8B2()制成第二自由层32(4nm)之外，以与第一实施例中相同的方式形成第二实施例中的铁磁隧道结元件。实施例3除由Co67.5Fe22,5B,Q替代Co6oFe2oB2o制成第一自由层30(2nm)和由N^Fe9BK)替代Ni72Fe8B2o制成第二自由层32(4nm)之外，以与第一实施例中相同的方式形成第三实施例中的铁磁隧道结元件。实施例4除由Co63.7Fe2uB,5替代Co6oFe2oB2o制成第一自由层30(2nm)和由Ni76.5Fes.5B,5替代Ni72FesB2o制成第二自由层32(4nm)之外，以与第一实施例中相同的方式形成第四实施例中的铁磁隧道结元件。除由Co56.2Fe18.8B25替代Co60Fe20B20制成第一自由层30(2nm)和由Ni67.sFe7,5B25替代Ni72FesB2o制成第二自由层32(4nm)之外，以与第一实施例中相同的方式形成第五实施例中的铁磁隧道结元件。比较实施例1除由0)74^26替代Co6oFe2oB2o制成第一自由层30(2nm)和由Ni9()Fe10替代Ni72FesB2o制成第二自由层32(4nm)之外，以与第一实施例中相同的方式形成第一比较实施例中的铁磁隧道结元件。比较实施例2除由Ni9oFeK)替代Ni72FesB2o制成第二自由层32(4nm)之外，以与第一实施例中相同的方式形成第二比较实施例中的铁磁隧道结元件。评价如下评价从实施例1-5和比较实施例1与2获得的隧道结元件的MR率和矫顽磁性(Hc)。MR率被如下测量。图8例示了MR率的测量方法。如图8中所示，形成下部电极125A和上部电极125B以夹住铁磁隧道结元件40。如图1，下部电极125A被电连接到下层13，而上部电极125B被电连接到第二保护层36。通过DC电流源126连接下部电极125A和上部电极125B，以将垂直方向上的O.lmA的感测电流施加于铁磁隧道结元件40的表面。然后，以平行于第二钉扎层的磁化方向施加磁场，随后，在强度范围-79到+79^!11的范围内改变磁场，通过数字电压计127测量下部电极125A和上部电极125B之间的电压变化。之后，从获得的电压值推导出阻抗值。当第二钉扎层和第一自由层的磁化平行时推导出的隧道阻抗值被定义为Rs，从第二钉扎层和第一自由层的磁化方向平行的情况推导出的隧道阻抗值与从第二钉扎层和第一自由层的磁化方向不平行的情况推导出的隧道阻抗值之间的差被定义为AR，并且MR率被定义为AR/Rs。从这些实施例和比较实施例推导出的所有隧道阻抗Rs的值为3Q,2。从其中隧道阻抗值之间的差AR减半的磁场推导出矫顽磁性。图9示出第一实施例中铁磁隧道结元件的代表磁阻曲线。表1示出第一实施例和第一/第二比较实施例中的铁磁隧道结元件的评价结果。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>对于第一/第二比较实施例中的铁磁隧道结元件，具有高软磁属性的NiFe被用于第二自由层。因此，它们的矫顽磁性都较低。然而，MR率不足够低(小于60%)。与比较实施例相比较，在NiFeB被用于第二自由层的第一实施例中的铁磁隧道结元件具有相对较低的矫顽磁性，并且MR率相对较高。以与第一实施例相同的方式评价实施例2-5中获得的隧道结元件的MR率。表2示出实施例l-5的评价结果。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>与其中NiFe被用于第二自由层的第二比较实施例相比较，在NiFeB用于第二自由层时，实施例1-5的MR率更高。在硼原子的浓度在范围10-25%内的情况下，MR率优选地为60%。特别是，在硼原子的浓度为15%或20%的情况下，MR率非常高。权利要求1、一种铁磁隧道结元件，其包括钉扎层，其中保持了至少一部分磁化方向；形成在该钉扎层上的绝缘层，该绝缘层创建电子能够通过隧道效应流过的能量势垒；形成在该绝缘层上且由包含硼原子的第一铁磁材料制成的第一自由层，其中磁化方向在外部磁场的影响下转换；以及形成在该第一自由层上且由包含硼原子的第二铁磁材料制成的第二自由层，其中该磁化方向在该外部磁场的影响下转换，该第二自由层与该第一自由层交换并耦合。2、根据权利要求1所述的铁磁隧道结元件，其中，所述第二铁磁材料是非晶形的。3、根据权利要求1所述的铁磁隧道结元件，其中，所述第二铁磁材料包含10-25%的硼原子。4、根据权利要求1所述的铁磁隧道结元件，其中，所述第一铁磁材料包含10-25°/。的硼原子。5、根据权利要求1所述的铁磁隧道结元件，其中，所述第一铁磁材料包含Co原子和Fe原子。6、根据权利要求l所述的铁磁隧道结元件，其中，所述第二自由层的矫顽磁性低于所述第一自由层的矫顽磁性。7、根据权利要求1所述的铁磁隧道结元件，其中，所述铁磁材料包含Ni原子和Fe原子。8、根据权利要求7所述的铁磁隧道结元件，其中，所述Ni原子对Fe原子的比例为85%或更大。9、根据权利要求1所述的铁磁隧道结元件，其中，所述绝缘层为结晶形的。10、根据权利要求1所述的铁磁隧道结元件，其中，所述绝缘层包含部分结晶的氧化镁氧化物。11、一种磁记录装置，其包括用于信息记录/再现的磁记录介质；和头滑块，该头滑块用于将信息记录到该磁记录介质上/从该磁记录介质再现信息，该头滑块与该磁记录介质相对布置，其中，该头滑块包括具有钉扎层的磁头，在该钉扎层中至少部分磁化方向被保持在一个特定方向上；形成在该钉扎层上的绝缘层，该绝缘层创建电子能够通过隧道效应流过的能量势垒；形成在该绝缘层上且由包含硼原子的第一铁磁材料制成的第一-自由层，在该第一自由层中磁化方向在外部磁场的影响下转换；隧道结元件，该隧道结元件具有形成在该第一自由层上且由包含硼原子的第二铁磁材料制成的第二自由层，在该第二自由层中磁化方向在该外部磁场的影响下转换，该第二自由层与该第一自由层交换并耦合。12、一种磁存储器装置，其包括钉扎层，其中至少部分磁化方向保持在一个特定方向上；形成在该钉扎层上的绝缘层，该绝缘层创建电子能够通过隧道效应流过的能量势垒；形成在该绝缘层上且由包含硼原子的第一铁磁材料制成的第一自由层，其中磁化方向在外部磁场的影响下转换；铁磁隧道结元件，该铁磁隧道结元件具有形成在该第一自由层上且由包含硼原子的第二铁磁材料制成的第二自由层，在该第二自由层中磁化方向在该外部磁场的影响下转换，该第二自由层与该第一自由层交换并耦合；用于对该铁磁隧道结元件施加磁场以在特定方向上转换该第一自由层和该第二自由层的磁化方向的写装置；以及用于通过对该铁磁隧道结元件施加感测电流来检测隧道电阻值的读装置。全文摘要本发明提供铁磁隧道结元件、磁记录装置以及磁存储器装置。铁磁隧道结元件为电阻随施加的磁场而变化的磁阻效应元件。该铁磁隧道结元件包括钉扎层，其中保持至少部分磁化方向；以及形成在该钉扎层上的绝缘层，该绝缘层创建电子能够通过隧道效应流过的能量势垒。在该绝缘层上形成有由包含硼原子的第一铁磁材料制成的第一自由层。在该第一自由层中，磁化方向在外部磁场的影响下转换。在该第一自由层上形成有由包含硼原子的第二铁磁材料制成的第二自由层。该第二自由层的磁化方向在该外部磁场的影响下转换，且与该第一自由层交换并耦合。文档编号H01F10/32GK101414657SQ20081016964公开日2009年4月22日申请日期2008年10月13日优先权日2007年10月16日发明者佐藤雅重,指宿隆弘,梅原慎二郎申请人:富士通株式会社