具有可调整磁致伸缩的磁阻元件以及包括磁阻元件的磁性设备的制作方法

本发明涉及具有可调整的磁致伸缩的磁阻元件以及包括磁阻元件的磁性设备。

背景技术：

磁性隧道结在各种各样的应用中使用，也就是说包括MRAM、HDD读取头和磁性传感器。

磁性隧道结通常由包括MgO或AlO的绝缘阻挡或者隧道阻挡制成。隧道阻挡夹在两个铁磁层之间，诸如参考或存储层和感测层。铁磁层通常由基于Fe的合金制成，诸如CoFe或CoFeB。

铁磁层中的一个（通常参考层或存储层）可以通过磁性交换偏置耦合而由反铁磁层钉住（pin）。反铁磁层可以包括基于Co或Fe的合金，诸如CoFe。

参考或存储层和感测层可以包括SAF结构。此类SAF结构包括夹住非磁性层（例如Ru层）的两个铁磁层。非磁性层由于RKKY耦合而在磁性上耦合两个磁性层。两个铁磁层通常包括基于Fe的合金，诸如CoFe或CoFeB。

用于参考或存储层和感测层，或者用于SAF结构的铁磁层通常具有10 ppm以上的正磁致伸缩常数。因为构成层的不同金属级或氧化物/氮化物层可以引发磁性隧道结上的机械应力，所以这样的正磁致伸缩常数可能是有问题的。由于磁致伸缩效应，这样的应力改变磁性层的磁属性。

属性中的改变对于使用这样的磁性隧道结的设备的运转是有害的。例如，在MRAM设备的情况下，当写入位时，它可以导致高误差率。在传感器设备的情况下，机械应力可以引发灵敏度的降低。

此外，因为机械应力通常不会很好地受控制，所以它导致在晶片上设备之中或者在不同的晶片之中属性的广阔分散（wide dispersion），从而导致差的产量。

另一方面，不能直接地使用具有负或低的磁致伸缩的磁性层，因为它们不提供用于磁性隧道结的良好的电或磁属性（低TMR、低RKKY耦合、低交换偏置）。

US2008113220公开了用于采用合成反铁磁（SAF）自由层的磁性隧道结（MTJ）的方法和装置。MTJ包括经钉住的铁磁（FM）层、SAF和其间的遂穿阻挡。SAF具有邻近遂穿阻挡的第一较高自旋极化FM层，以及通过具有磁致伸缩的耦合层而与第一FM层期望地分离的第二FM层，所述磁致伸缩适于补偿第一FM层的磁致伸缩。这样的补偿将SAF的净磁致伸缩减小到接近零，甚至是在高自旋极化邻近遂穿阻挡的情况下。在没有其它MTJ属性上的不利影响的情况下获得较高的磁阻比率（MR）；NiFe组合对于第一和第二自由FM层是合期望的，其中较多的Fe在第一自由层中并且较少的Fe在第二自由层中。CoFeB和NiFeCo也在自由层中有用。

技术实现要素：

本公开涉及一种磁阻元件，包括：具有第一存储磁致伸缩的存储层；具有第一感测磁致伸缩的感测层；在存储层和感测层之间并且与存储层和感测层接触的阻挡层；其中磁阻元件还包括补偿铁磁层，所述补偿铁磁层具有与第一存储磁致伸缩和/或感测磁致伸缩不同的第二磁致伸缩，并且适于补偿第一存储磁致伸缩和/或第一感测磁致伸缩，使得通过调整补偿铁磁层的厚度，存储层和/或感测层的净磁致伸缩在-10 ppm et +10 ppm之间可调整或者比-10 ppm更为负。

本公开还涉及包括磁阻元件的磁性设备。磁性设备可以包括基于MRAM的设备、传感器设备、HDD读取头设备或者要求（suing）磁阻元件的任何其它磁性设备。

本文公开的磁阻元件的优点在于：净磁致伸缩是在-10 ppm et +10 ppm之间，磁阻元件的磁属性不取决于在磁阻元件上和/或在包括磁阻元件的设备上所经历的应力。磁阻元件和包括磁阻元件的设备具有改进的磁属性和较低的属性分散。

调整补偿铁磁层的厚度可以完成为使得净磁致伸缩为负（比-10 ppm更为负）。这导致感测层和存储层中的至少一个上的应力引发的磁性各向异性，例如以提供应力引发的磁性各向异性。

附图说明

本公开将在作为示例给出并且通过各图图示的实施例的描述的帮助下更好地被理解，其中：

图1表示根据实施例的磁阻元件；

图2图示了根据另一实施例的磁阻元件；

图3示出了根据实施例的包括具有SAF结构的感测层的磁阻元件；

图4示出了根据另一实施例的图3的磁阻元件；

图5表示根据另一实施例的磁阻元件，其中根据实施例，存储层包括SFA结构；

图6图示了磁阻元件，其中存储层和感测层两者包括SAF结构；以及

图7表示磁阻元件的一部分的净磁致伸缩的演变。

具体实施方式

图1表示根据实施例的磁阻元件1。磁阻元件包括具有第一存储磁致伸缩λR1的存储或参考层21、具有第一感测磁致伸缩λS1的感测层23、以及在存储和感测层21，23之间并且与存储和感测层21，23接触的阻挡层22。

存储层21和感测层23中的每一个包括磁性材料或者由磁性材料形成，并且特别地铁磁类型的磁性材料。铁磁材料可以通过具有特定矫顽磁性的基本上平面的磁化来表征，其指示在它在一个方向上被驱动到饱和之后反转磁化的磁场的幅度。一般地，存储层21和感测层23可以包括相同的铁磁材料或者不同的铁磁材料。适合的铁磁材料包括过渡金属、稀土元素及其合金，具有或者没有主族元素。例如，适合的铁磁材料包括铁（“Fe”）、钴（“Co”）、镍（“Ni”）及其合金，诸如透磁合金（或Ni80Fe20）；基于Ni、Fe和棚（“B”）的合金；Co90Fe10；以及基于Co、Fe和B的合金。在一些实例中，基于Ni和Fe（以及可选地B）的合金可以具有比基于Co和Fe（以及可选地B）的合金更小的矫顽磁性。

优选地，存储层21和/或感测层23包括提供大于20%的TMR比率的基于Fe的合金。

存储层21可以包括硬铁磁材料，也就是具有相对高的矫顽磁性的一个，诸如大于大约50 Oe。感测层23可以包括软铁磁材料，也就是具有相对低的矫顽磁性的一个，诸如不大于大约50 Oe。以这样的方式，感测层23的磁化可以在读取操作期间在低强度磁场之下容易地变化，同时存储或参考层21的磁化保持稳定。

存储层21和感测层23中的每一个的厚度可以是在纳米（“nm”）范围中，诸如从大约0.5nm到大约10nm。存储层21和感测层23中的每一个的厚度优选地是从大约0.5nm到大约5nm和更多并且优选地是在1nm和2.5nm之间。

阻挡层22包括绝缘材料或者由绝缘材料形成。适合的绝缘材料包括氧化物，诸如氧化铝（例如，Al2O3）和氧化镁（例如，MgO）。阻挡层22的厚度可以是在nm范围中，诸如从大约0.5nm到大约10nm。

磁阻元件1还包括包含在电极28和感测层23之间的补偿铁磁层25，使得感测层23在补偿铁磁层25和它与其接触的阻挡层22之间。补偿铁磁层25具有与第一感测磁致伸缩λS1不同的第二磁致伸缩λ2。补偿铁磁层25适于补偿第一感测磁致伸缩λS1。

补偿铁磁层25可以包括Ni或Co合金，其包含小于25%wt的Ta、Ti、Hf、Cr、Sc、Cu、Pt、Pd、Ag、Mo、Zr、W、Al、Si、Mg或者这些元素的任何组合。补偿铁磁层25还可以包括纯Ni或纯Co。此处，纯Ni和纯Co可以分别意味着至少99.9%wt的Ni和至少99.9%的Co。补偿铁磁层25具有通常在0.5nm和10nm之间的厚度。

通过调整补偿铁磁层25的厚度，感测层23的净磁致伸缩λnet可以在-10 ppm et +10 ppm之间调整或者被调整到比-10 ppm更负的磁致伸缩。

图2图示了磁阻元件1的变体，其中补偿铁磁层25包括在阻挡层22的其它侧上，使得存储层21在补偿铁磁层25和它与其接触的阻挡层22之间。补偿铁磁层25的第二磁致伸缩λ2不同于第一存储磁致伸缩λR1，并且补偿铁磁层25适于补偿第一存储磁致伸缩λR1。

事实上，通过调整补偿铁磁层25的厚度和/或存储和/或感测层21，23的厚度，存储和/或感测层21，23的净磁致伸缩λnet可以在-10 ppm et +10 ppm之间调整或者调整到比-10 ppm更负的磁致伸缩。

优选地，补偿铁磁层25的第二磁致伸缩λ2为负，并且第一存储和感测磁致伸缩λR1,λS1为正。

调整补偿铁磁层25的厚度，使得净磁致伸缩λnet为负（比-10 ppm更为负）导致在感测层23和存储层21中的至少一个上提供应力引发的磁性各向异性，并且提供应力引发的磁性各向异性，如在本申请人的尚未公开的欧洲专利申请号EP20150290013中描述的。

为了允许具有负磁致伸缩的层（补偿铁磁层25）和具有正磁致伸缩的层（存储和/或感测层21，23）之间的结构过渡，过渡层26可以包括在具有负磁致伸缩的层和具有正磁致伸缩的层之间。过渡层26可以包括Ti、Hf、Ta、Nb、Cr或者这些元素的任何组合。过渡层26应该足够薄，使得磁耦合仍然存在于具有负磁致伸缩的层和具有正磁致伸缩的层之间。优选地，过渡层26具有包括在0.1nm和1nm之间的厚度。

在图1的实施例中，过渡层26包括在补偿铁磁层25和感测层23之间。在图2的实施例中，磁阻元件1包括包含在补偿铁磁层25和存储层21之间的过渡层26。

如图2中图示的，磁阻元件1可以包括以磁性交换方式耦合存储（或参考）层21例如以钉住存储层21的磁化的存储反铁磁层24。在实施例中，铁磁耦合层27包括在反铁磁层24和补偿铁磁层25之间。铁磁耦合层27可以包括基于Fe或Co的合金并且具有在0.2nm和5nm之间以及优选地在0.5nm和1.5nm之间。

铁磁耦合层27适于提供大于0.05 erg/cm²的磁性交换耦合。例如，铁磁耦合层27可以在存储反铁磁层24和存储层21之间提供大于0.05 erg/cm²的交换耦合。

过渡层26可以进一步包括在补偿铁磁层25和铁磁耦合层27之间。

图3示出了根据另一实施例的磁阻元件，其中感测层包括SAF结构，其包括与阻挡层22接触的第一铁磁感测层231、第二铁磁感测层232以及在第一和第二铁磁感测层231，232之间的SAF感测耦合层233。补偿铁磁层25包括在SAF感测耦合层233和第一铁磁感测层231之间。另一补偿铁磁层25包括在SAF感测耦合层233和第二铁磁感测层232之间。

过渡层26可以插入在补偿铁磁层25和第一铁磁感测层231之间和/或补偿铁磁层25和第二铁磁感测层232之间。

图4示出了根据另一实施例的图3的磁阻元件。在图4的配置中，磁阻元件1包括在SAF感测耦合层233和补偿铁磁层25中的每一个之间的铁磁耦合层27。铁磁耦合层27将第一铁磁感测层231和第二铁磁感测层232之间的RKKY类型的磁性交换耦合增强到0.05 erg/cm³以上的值。

过渡层26可以包括在铁磁耦合层27和补偿铁磁层25中的每一个之间。

图5示出了根据另一实施例的磁阻元件，其中存储层包括SAF结构，其包括与阻挡层22接触的第一铁磁存储层211、第二铁磁存储层212以及在第一和第二铁磁存储层211，212之间的SAF存储耦合层213。补偿铁磁层25包括在SAF存储耦合层213和第一铁磁存储层211之间。另一补偿铁磁层25包括在SAF存储耦合层213和第二铁磁存储层212之间。

过渡层26可以插入在补偿铁磁层25和第一铁磁存储层211之间和/或补偿铁磁层25和第二铁磁存储层212之间。

铁磁耦合层27可以包括在SAF存储耦合层213和补偿铁磁层25中每一个之间。铁磁耦合层27将第一铁磁存储层211和第二铁磁存储层212之间的RKKY类型的磁性交换耦合增强到0.05 erg/cm³以上的值。

过渡层26可以包括在铁磁耦合层27和补偿铁磁层25中的每一个之间。

图6图示了磁阻元件1，其中存储层21和感测层23两者包括SAF结构，使得磁阻元件1对应于图4的SAF感测结构和图5的SAF存储结构的组合。

图7表示包括层序列Ta/Ni/Ta0.3/CoFeB1.5/MgO（对应于序列：电极28、补偿铁磁层25、过渡层26、感测层23和阻挡层22）的磁阻元件的一部分的净磁致伸缩λnet的演变。净磁致伸缩λnet作为包括Ni的补偿铁磁层25的厚度的函数而连续地减小。当补偿铁磁层25的厚度为大约2.3nm时，净磁致伸缩λnet可以抵消（cancel）。

参考数字和符号

1 磁阻元件

21 存储层

211 第一铁磁存储层

212 第二铁磁存储层

213 SAF存储耦合层

22 阻挡层

23 感测层

231 第一铁磁感测层

232 第二铁磁感测层

233 SAF感测耦合层

24 存储反铁磁层

25 补偿铁磁层

26 过渡层

27 铁磁耦合层

28 电极

λR1 第一存储磁致伸缩

λS1 第一感测磁致伸缩

λ2 第二磁致伸缩

λnet 净磁致伸缩