專利名稱：磁阻器件、磁頭、磁存儲設(shè)備以及磁存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于再現(xiàn)磁記錄介質(zhì)或存儲器件中的信息的磁阻器件，尤其涉及一種電流垂直于平面(CPP)的磁阻器件，其中感測電流在垂直通過多層平面的方向上流動。
背景技術(shù)：
近年以來， 一直將巨磁阻(GMR)器件用作磁存儲設(shè)備中磁頭的信息再 現(xiàn)器件，以再現(xiàn)磁記錄介質(zhì)中的信息。GMR器件利用巨磁阻效應(yīng)，即外部 磁場引起電阻變化。當(dāng)再現(xiàn)磁記錄介質(zhì)的信息時，通過GMR器件檢測從磁 記錄介質(zhì)泄漏的磁場的方向變化并將其轉(zhuǎn)換為電阻的變化。隨著高密度記錄 技術(shù)的發(fā)展，使用自旋閥膜結(jié)構(gòu)的磁阻器件成為主流。自旋閥膜結(jié)構(gòu)是一種 多層結(jié)構(gòu)，包括磁化被釘扎層(magnetization pinned layer)，其磁化被釘 扎或固定在預(yù)定方向上；非磁層；以及磁化自由層，其磁化可響應(yīng)從磁記錄 介質(zhì)泄漏的磁場的方向或強(qiáng)度而旋轉(zhuǎn)。自旋閥膜結(jié)構(gòu)的電阻根據(jù)磁化被釘扎 層與磁化自由層的磁化方向之間的角度而變化。通過向自旋閥膜結(jié)構(gòu)提供感 測電流，檢測電阻變化作為電壓變化，再現(xiàn)出記錄在磁記錄介質(zhì)中的位值(bit value) o傳統(tǒng)上在磁阻器件中使用CIP (電流在平面內(nèi))結(jié)構(gòu)，其中感測電流在 自旋閥的平面方向上流動。但是，為了實(shí)現(xiàn)更高的記錄密度，當(dāng)前要求增加 磁記錄介質(zhì)的線性記錄密度和軌道密度。為了滿足這樣的要求，對于磁阻器 件必須降低由器件寬度(對應(yīng)于磁記錄介質(zhì)的軌道寬度)與器件高度(對應(yīng) 于磁記錄介質(zhì)中的位長度)限定的橫截面積。由于CIP結(jié)構(gòu)中感測電流大， 所以器件的性能會因?yàn)樽孕y膜結(jié)構(gòu)中所用材料內(nèi)的遷移(migration)而下 降。為了克服這個問題，提出了CPP結(jié)構(gòu)，其中感測電流在垂直通過磁化被 釘扎層、非磁層以及磁化自由層的方向上流動。實(shí)際上，因?yàn)镃PP磁阻器件有可能成為下一代信息再現(xiàn)器件，所以對它作了大量研究。因?yàn)榧词菇档痛?心寬度(自旋閥與磁記錄介質(zhì)軌道寬度對應(yīng)的寬度)，輸出電壓也是恒定的，所以CPP自旋閥膜結(jié)構(gòu)適合于高密度記錄。CPP自旋閥的輸出電平(level)由將外部磁場以從一個方向向相反的方 向掃過的方式提供給自旋閥時發(fā)生的每單位面積磁阻的變化量確定。每單位 面積磁阻的變化量等于自旋閥磁阻的變化量與自旋閥的膜面積的乘積。為了 增加每單位面積磁阻的變化量，必須對磁化自由層和磁化被釘扎層采用自旋 相關(guān)體散射系數(shù)與電阻率的乘積數(shù)值大的材料。自旋相關(guān)體散射是這樣一種 現(xiàn)象，即在磁化自由層或者磁化被釘扎層中傳導(dǎo)電子散射的程度根據(jù)傳導(dǎo)電 子的自旋方向而變化。磁阻的變化量隨著自旋相關(guān)體散射系數(shù)的增加而增 加。自旋相關(guān)體散射系數(shù)大的材料例如有(Co2Fe)咖.xGex (0《X《30 at.%) 以及Co-Fe-Al。例如參見JP 2006-73688 A。但是，如果在將來隨著記錄密度的提高進(jìn)一步縮小讀取間隙，那么即使 在磁化自由層或者磁化被釘扎層中使用上述材料，對磁阻變化的靈敏度也會 不足。發(fā)明內(nèi)容在實(shí)施例的一個方案中， 一種電流垂直平面(CPP)磁阻器件包括磁 化被釘扎層；磁化自由層；以及非磁層，插入在所述磁化被釘扎層與所述磁 化自由層之間；并且所述磁化自由層和所述磁化被釘扎層的至少其中一個由 CoFeGe形成，所述CoFeGe的成分落入三元成分圖表中由連接坐標(biāo)點(diǎn)A、 B、 C、 D的線段所限定的范圍內(nèi)，三元成分圖表的三個軸用原子百分比(at.%) 表示鈷(Co)成分、鐵(Fe)成分和鍺(Ge)成分，其中點(diǎn)A為(42.5， 30， 27.5)，點(diǎn)B為(35， 52.5， 12.5)，點(diǎn)C為(57.5， 30， 12.5)，點(diǎn)D為(45.0， 27.5， 27.5)。在實(shí)施例的另一方案中， 一種磁頭包括襯底，形成磁頭滑動器的基底； 以及如上所述的磁阻器件，形成在所述襯底上。在實(shí)施例的再一方案中， 一種磁存儲設(shè)備包括磁記錄介質(zhì)；以及磁頭， 配置為讀取記錄在所述磁記錄介質(zhì)中的信息，所述磁頭包括如上所述的磁阻 器件。在實(shí)施例的又一方案中， 一種磁存儲器器件包括存儲器元件，具有CPP 型磁阻效應(yīng)膜，所述磁阻效應(yīng)膜包括磁化被釘扎層、磁化自由層以及設(shè)置在 所述磁化被釘扎層與所述磁化自由層之間的非磁層;寫入單元，配置為通過 向位線和字線提供電流以產(chǎn)生提供給所述磁阻效應(yīng)膜的磁場，或者通過向所 述磁阻效應(yīng)膜提供自旋極化電流，來確定所述磁化自由層的磁化方向；以及 讀取單元，配置為向所述磁阻器件提供感測電流，以感測電阻；其中，所述 磁化自由層和所述磁化被釘扎層中的至少一個由CoFeGe形成，以及其中， 所述CoFeGe的成分落入三元成分圖表中由連接坐標(biāo)點(diǎn)A、 B、 C、 D的線段 所限定的范圍內(nèi)，其中點(diǎn)A為(42.5， 30， 27.5)，點(diǎn)B為(35， 52.5， 12.5)， 點(diǎn)C為(57.5， 30.0， 12.5)，點(diǎn)D為(45.0， 27.5， 27.5)，并且其中各坐 標(biāo)點(diǎn)由用原子百分比(at.%)表示的(Co， Fe， Ge)的含量百分比來表示。利用本發(fā)朋，能夠獲得較高的MR比，并提高磁阻器件的輸出電平。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的磁頭朝向記錄介質(zhì)的功能表面的主要 部分；圖2示出構(gòu)成本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件的GMR膜的實(shí)例1的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖3示出構(gòu)成本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件的GMR膜的實(shí)例2的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖4示出構(gòu)成本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件的GMR膜的實(shí)例3的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖5示出構(gòu)成本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件的GMR膜的實(shí)例4的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖6示出構(gòu)成本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件的GMR膜的實(shí)例5的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖7示出構(gòu)成本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件的GMR膜的實(shí)例6的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖8為示出實(shí)例2的GMR膜的磁化自由層的不同樣品的成分和MR比 的表格；圖9為示出用于磁化自由層的CoFeGe膜的成分的優(yōu)選范圍的三元成分 圖表；圖IO示出構(gòu)成本發(fā)明第二實(shí)施例的磁阻器件的TMR膜的實(shí)例1的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖11示出構(gòu)成本發(fā)明第二實(shí)施例的磁阻器件的TMR膜的實(shí)例2的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖12示出構(gòu)成本發(fā)明第二實(shí)施例的磁阻器件的TMR膜的實(shí)例3的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖13示出構(gòu)成本發(fā)明第二實(shí)施例的磁阻器件的TMR膜的實(shí)例4的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖14示出構(gòu)成本發(fā)明第二實(shí)施例的磁阻器件的TMR膜的實(shí)例5的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖15示出構(gòu)成本發(fā)明第二實(shí)施例的磁阻器件的TMR膜的實(shí)例6的橫截 面結(jié)構(gòu)；圖16為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的磁存儲設(shè)備的主要部分的示意性平面圖；圖17A為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的磁存儲器的實(shí)例1的示意性橫截面圖；圖17B為示出圖17A中所示磁存儲器中使用的GMR膜的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖18為圖17A中所示的磁存儲器的實(shí)例1的存儲器單元的等效電路圖； 圖19示出圖17A中所示的實(shí)例1的變型中使用的TMR膜的橫截面結(jié)構(gòu);以及圖20為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的磁存儲器的實(shí)例2的示意性橫截面圖。
具體實(shí)施方式
以下參照附圖描述各優(yōu)選實(shí)施例的細(xì)節(jié)。這些實(shí)施例提供的高輸出、高 靈敏度磁阻器件具有高M(jìn)R比，使器件能夠?qū)Υ抛璧淖兓３肿銐虻撵`敏度。 這些實(shí)施例還提供所述磁阻器件的應(yīng)用，包括磁頭、磁存儲設(shè)備以及磁存儲 器。為此，用具有特定成分范圍的CoFeGe形成磁阻器件的磁化自由層和磁化被釘扎層中的至少一個。在說明書中，"每單位面積磁阻的變化量ARA"可稱為"磁阻變化ARA"或者簡稱為"ARA"。<第一實(shí)施例>圖1為示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的混合磁頭10的橫截面結(jié)構(gòu)的示意 圖。磁頭10包括磁阻器件20和感應(yīng)式寫入器件13。箭頭X表示磁記錄介 質(zhì)(未示出)朝向磁阻器件的運(yùn)動方向。磁阻器件20形成在用作磁頭滑動 器(未示出)的基底的平坦陶瓷(例如Al203-TiC)襯底11上。感應(yīng)式寫入 器件13形成在磁阻器件20上。感應(yīng)式寫入器件13包括頂磁極14、底磁極16以及寫入間隙層15，頂 磁極14的寬度與面對的磁記錄介質(zhì)的軌道寬度相對應(yīng)，底磁極16與頂磁極 14平行地延伸，寫入間隙層15由非磁材料形成，插入在頂磁極14與底磁極 16之間。感應(yīng)式寫入器件13還包括與頂磁極14、底磁極16磁連接的軛部 (未示出)以及纏繞軛部的線圈(未示出)。流過線圈的寫入電流感應(yīng)出磁 場以寫入信息。頂磁極14、底磁極16以及軛部由軟磁材料形成。軟磁材料 優(yōu)選從飽和磁通密度大的材料中選擇，以保證要求的記錄磁場，這樣的材料 例如有Ni8oFe、 CoZrNb、 FeN、 FeSiN、 FeCo、 CoNiFe等等。應(yīng)注意，感應(yīng) 式寫入器件13并不限于上述結(jié)構(gòu)，而是可采用任意己知的結(jié)構(gòu)。磁阻器件20包括底電極21、磁阻膜30 (下面稱為"GMR膜30")、 氧化鋁膜25以及頂電極22，它們依次層疊在形成于陶瓷襯底11上的氧化鋁 膜12上。GMR膜30與底電極21、頂電極22分別電連接。磁疇控制膜24經(jīng)由絕緣膜23形成在GMR膜30兩側(cè)。磁疇控制膜24 為Cr膜、CoCrPt以及CoPt膜的層疊物。設(shè)置磁疇控制膜24可使GMR膜 30中的磁化自由層(如圖2所示)具有單磁疇，并防止巴克豪森噪聲。底電 極21和頂電極22形成感測電流Is的電流通路，并用作磁屏蔽。因此，用例 如NiFe、 CoFe、 CoZrNb、 FeN、 FeSiN、 CoNiFe等軟磁材料形成底電極21 和頂電極22。此外，在底電極21與GMR膜30之間的邊界上可設(shè)置導(dǎo)電膜， 例如Cu膜、Ta膜、Ti膜等等。磁阻器件20和感應(yīng)式寫入器件13用氧化鋁 膜、碳?xì)浠锬せ蚱渌线m的膜覆蓋，以防止腐蝕。的強(qiáng)度和方向而變化。通過提供預(yù)定量的感測電流Is,磁阻器件20檢測GMR 膜30的磁阻變化作為電壓變化?；跈z測到的數(shù)值，磁阻器件20再現(xiàn)出磁 記錄介質(zhì)中的信息。應(yīng)注意，感測電流Is的流動方向不一定是圖1所示的向 下的方向，也可以是相反的方向。磁記錄介質(zhì)的運(yùn)動方向也可以反過來。圖2為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件中使用的第一實(shí)例(實(shí)例1) 的GMR膜的橫截面圖。實(shí)例1的GMR膜30具有所謂的單自旋閥結(jié)構(gòu)，其 中依次連續(xù)地沉積緩沖層31、反鐵磁層32、磁化被釘扎層疊物33、非磁金 屬層37、磁化自由層38以及保護(hù)層39。通過濺射方法或其它合適的方法在 底電極21 (參見圖l)的表面上形成緩沖層31。緩沖層31例如為NiCr膜、 Ta膜和Ru膜的層疊物、或者Ta膜(例如厚5 nm)和NiFe膜(例如厚5 nm) 的層疊物。對于后一種情況，NiFe膜中的Fe含量優(yōu)選在17化％到25沈％的 范圍內(nèi)。利用NiFe膜或者Ru膜，反鐵磁層32在(111)晶面(即NiFe膜 和Ru膜的晶體生長方向)以及晶體學(xué)(crystallographically)等價晶面上外 延生長。因此，反鐵磁層32的結(jié)晶度得到改善。反鐵磁層32例如由膜厚4 nm至30 nm、優(yōu)選為4 nm至10 nm的Mn-TM 合金(TM包括Pt、 Pd、 Ni、 Ir和Rh中的至少其中一種)形成。Mn-TM合 金例如有PtMn、 PdMn、 NiMn、 IrMn和PtPdMn。反鐵磁層32向磁化被釘 扎層疊物33的第一磁化被釘扎層34施加交換相互作用，將第一磁化被釘扎 層34的磁化固定在預(yù)定方向上。磁化被釘扎層疊物33包括所謂的合成鐵被 釘扎結(jié)構(gòu)(synthetic Ferri pinned structure)，其中在反鐵磁層32上依次沉積 第一磁化被釘扎層34、非磁耦合層35以及第二磁化被釘扎層36。在磁化被 釘扎層疊物33中，第一磁化被釘扎層34的磁化和第二磁化被釘扎層36的 磁化在反鐵磁體中交換耦合，并且磁化方向相反。第一磁化被釘扎層34和第二磁化被釘扎層36都由包含Co、 Ni和Fe的 至少其中一種元素的鐵磁材料形成，厚lnm至30nm。用于第一磁化被釘扎 層34和第二磁化被釘扎層36的合適的鐵磁材料例如有CoFe、 CoFeB、 CoFeAl、 NiFe、 FeCoCu、 CoNiFe等等。第一磁化被釘扎層34和第二磁化 被釘扎層36不一定是單層膜，它們都可以是兩層或兩層以上的膜的層疊物。 在這種情況下，這些層疊物可以由同樣的元素結(jié)合形成，但是元素的成分比 例不同，或者也可以由不同的元素結(jié)合形成。因?yàn)橐韵略?，?yōu)選用CoFeAl或CoFeGe形成第二磁化被釘扎層36。 CoFeAl和CoFeGe的自旋相關(guān)體散射系數(shù)/ 與軟磁材料CoFe的相似，而與 其它軟磁材料的自旋相關(guān)體散射系數(shù)相比，數(shù)值較大。例如C09。Feu)的自旋 相關(guān)體散射系數(shù)/ 為0.55，而Co5。Fe2。Al3o的自旋相關(guān)體散射系數(shù)〃為0.50。 另夕卜，CoFeAl和CoFeGe的電阻率/ 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CoFe。例如，Co9。Feu)的電阻 率為20//Qcm，而Q)5oFe2oAl3o的電阻率為130//Qc附，是Co90Fe10的6倍， CosoFe2。Ge3。的電阻率為236/^^，比Co9oFeu)大11倍。因?yàn)榇抛枳兓疉RA 取決于自旋相關(guān)體散射系數(shù)"與電阻率^的乘積，所以CoFeAl和CoFeGe的 △RA值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CoFe。因此，在第二磁化被釘扎層36中使用CoFeAl或 CoFeGe能夠大大增加ARA值。在這種情況下，CoFeGe膜和CoFeAl膜的 自旋相關(guān)體散射系數(shù)/ 優(yōu)選為等于或大于0.4 (々20.4)。由于CoFeAl和CoFeGe的電阻率^與成分比例關(guān)系不大，所以在器件制 造過程中能夠容易地控制這些材料的成分，這是有利的。因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，磁 化自由層38也可以使用CoFeAl和CoFeGe。如果用CoFeGe制成第二磁化被釘扎層36，從增加ARA值(表示磁阻 的變化)的角度來看，優(yōu)選地，CoFeGe成分存在于圖9所示的三元成分圖 表中由連接坐標(biāo)點(diǎn)A、 B、 C、 D的線段所限定的區(qū)域內(nèi)，其中，坐標(biāo)點(diǎn)由原 子百分比(at.%)表示的(Co， Fe， Ge)成分所限定，點(diǎn)A為(42.5， 30， 27.5)，點(diǎn)B為(35， 52.5， 12.5),點(diǎn)C為(57.5， 30， 12.5)，點(diǎn)D為(45.0， 27.5， 27.5)。用于第一磁化被釘扎層34的軟磁材料例如有Co6oFe4o和NiFe，這些材 料在低電阻率方面是合適的。由于第一磁化被釘扎層34的磁化與第二磁化 被釘扎層36的相反，所以第一磁化被釘扎層34用于減少ARA值。使用電 阻率低的鐵磁材料能夠防止ARA值降低。非磁耦合層35的厚度在這樣一個范圍內(nèi)第一磁化被釘扎層34與第二 磁化被釘扎層36反鐵磁地交換耦合。該范圍為0.4 nm至1.5 nm(優(yōu)選0.4 nm 至0.9 nm)。非磁耦合層35由非磁材料例如Ru、 Rh、 Ir、 Ru基合金、Rh 基合金、Ir基合金等形成。Ru基合金優(yōu)選為Ru與從Co、 Cr、 Fe、 Ni和Mn 中選擇的一種或多種材料的結(jié)合。雖然在附圖中沒有特別示出，但是在反鐵磁層32與第一磁化被釘扎層34之間可插入鐵磁連接層，其飽和磁通密度比第一磁化被釘扎層34更高。 這種配置能夠增加第一磁化被釘扎層34與反鐵磁層32之間的交換相互作 用，防止第一磁化被釘扎層34的磁化偏離預(yù)定方向或者與預(yù)定方向相反這 樣的不希望的情況發(fā)生。非磁金屬層37由膜厚例如為1.5 nm至10 nm的導(dǎo)電、非磁材料形成。 適用于非磁金屬層37的導(dǎo)電材料例如有Cu、 Al等等。磁化自由層38設(shè)置在非磁金屬層37上，由膜厚例如為2 nm至12 nm 的CoFeGe形成。如上所述，CoFeGe的自旋相關(guān)體散射系數(shù)與CoFe相似， 而電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CoFe。因此，與CoFe自由磁化層相比，磁化自由層38 的ARA值可增加。優(yōu)選地，將CoFeGe的成分選擇為處于圖9所示的三元 成分圖表中由連接坐標(biāo)點(diǎn)A、 B、 C、 D的線段所限定的區(qū)域內(nèi)，其中，點(diǎn)A 為(42.5， 30， 27.5)，點(diǎn)B為(35， 52.5， 12.5)，點(diǎn)C為(57.5， 30， 12.5)， 點(diǎn)D為(45.0， 27.5， 27.5)。在這種情況下，能夠獲得比一種己知的何士 勒(Heusler)合金即(Co2Fe)跳xGex (0《X《30 at.%)更高的ARA值(磁 阻的變化)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有高輸出電平的磁阻器件?？赏ㄟ^使用具有預(yù)定成分的CoFeGe合金靶或者三個單獨(dú)的Co、 Fe、 Ge靶的濺射工藝，形成應(yīng)用于磁化被釘扎(鐵磁)層和磁化自由層的至少其 中一個的具有上述成分范圍的CoFeGe層。對于后一種情況，可在聯(lián)合濺射 工藝中使用三個靶，或者輪流地使用它們以形成CoFeGe多層結(jié)構(gòu)。在另一 替代方案中，可將單靶結(jié)合雙元素合金靶，并在同時放電過程中、或者在多 層層疊過程中使用這些靶。例如，可在聯(lián)合濺射或者多層層疊中使用Co靶 和FeGe合金耙。保護(hù)層39由非磁、導(dǎo)電材料(例如包含Ru、 Cu、 Ta、 Au、 Al和W中任意一種元素的金屬)形成，可具有由這些材料形成的多層結(jié)構(gòu)。保護(hù)層39 防止進(jìn)行熱處理以獲得下述的反鐵磁層32的反鐵磁性時磁化自由層38的氧 化。下面結(jié)合圖2說明結(jié)構(gòu)實(shí)例1的GMR膜30的形成。首先，用上述材料 通過濺射方法、氣相沉積方法、CVD方法或者其它合適的方法形成從緩沖層 31向上到保護(hù)層39的各個層，得到多層結(jié)構(gòu)。然后，在磁場中加熱該多層結(jié)構(gòu)。加熱工藝的條件是通過提供1592KA/m的磁場，在真空環(huán)境下以250'C至32(TC加熱大約2至4小時。在加熱工藝 中， 一部分Mn-TM合金轉(zhuǎn)化為有序合金(ordered alloy)，從而出現(xiàn)反鐵磁 性。通過在加熱工藝中以預(yù)定方向提供磁場，將反鐵磁層32的磁化方向設(shè) 定在預(yù)定方向，結(jié)果，利用反鐵磁層32與磁化被釘扎層33之間的交換相互 作用將被釘扎層33的磁化固定在所需的方向上。然后，將從緩沖層31到保護(hù)層39的多層結(jié)構(gòu)圖案化為預(yù)定形狀，以獲 得GMR膜30，如圖1所示。在下述的后續(xù)結(jié)構(gòu)實(shí)例1-6中使用的GMR膜 也采用與本實(shí)例的GMR膜30相同的方法形成。由于后續(xù)結(jié)構(gòu)實(shí)例中的磁化 自由層38像結(jié)構(gòu)實(shí)例1 一樣也用CoFeGe形成，所以能夠獲得ARA值大的 GMR膜結(jié)構(gòu)，因此能夠獲得高輸出電平的磁阻器件。圖3為用于本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件20的結(jié)構(gòu)實(shí)例2的GMR膜 40的橫截面圖。圖3中與圖2中相同的元件用相同的附圖標(biāo)記表示，并省略 對它們的描述。結(jié)構(gòu)實(shí)例2的GMR膜40包括從底部依次連續(xù)沉積的緩沖層31、下反 鐵磁層32、下磁化被釘扎層疊物33、下非磁金屬層37、磁化自由層38、上 非磁金屬層47、上磁化被釘扎層疊物43、上反鐵磁層42以及保護(hù)層39。 GMR膜40具有所謂的雙自旋閥結(jié)構(gòu)，其中在圖2所示的結(jié)構(gòu)實(shí)例1的GMR 膜30的磁化自由層38與保護(hù)層39之間插入上非磁金屬層47、上磁化被釘 扎層疊物43以及上反鐵磁層42。由于下反鐵磁層32、下磁化被釘扎層疊物 33以及下非磁金屬層34分別用與圖2所示的結(jié)構(gòu)實(shí)例1的GMR膜30的反 鐵磁層32、磁化被釘扎層33以及非磁金屬層34相同的材料形成，并且膜厚 相同，所以它們用相同的附圖標(biāo)記表示。上非磁金屬層47和上反鐵磁層42 可分別用與下非磁金屬層37和下反鐵磁層32相同的材料形成，并且膜厚也 可設(shè)定在相同的范圍內(nèi)。上磁化被釘扎層疊物43具有所謂的合成鐵被釘扎 結(jié)構(gòu)，其中在上反鐵磁層42上依次連續(xù)層疊上第一磁化被釘扎層44、上非 磁連接層45以及第二磁化被釘扎層46。上第一磁化被釘扎層44、上非磁連 接層45以及第二磁化被釘扎層46分別用與下第一磁化被釘扎層34、下非磁 連接層35以及下第二磁化被釘扎層36相同的材料形成，并且膜厚也設(shè)定在 相同的范圍內(nèi)。GMR膜40的磁化自由層38由具有以與圖2所示的GMR膜30的磁化自由層38同樣方式確定的合適的成分范圍的CoFeGe制成，并且由于與結(jié)構(gòu) 實(shí)例1中同樣的原因，具有GMR膜40的磁阻器件20的磁阻變化量ARA 大。此外，GMR膜40具有包括下自旋閥和上自旋閥的雙自旋閥結(jié)構(gòu)，下自 旋閥包括下磁化被釘扎層疊物33、下非磁金屬層37和磁化自由層38，上自 旋闊包括磁化自由層38、上非磁金屬層47和上磁化被釘扎層疊物43。因此， GMR膜40的磁阻變化總量ARA增加為結(jié)構(gòu)實(shí)例1的GMR膜30的ARA 值的兩倍。與使用結(jié)構(gòu)實(shí)例1的GMR膜30相比，將GMR膜40用于磁阻 器件時在磁阻器件中獲得的輸出電平更高。應(yīng)注意，GMR膜40的制造方法 與結(jié)構(gòu)實(shí)例1的GMR膜30相同，所以這里省略其說明。圖4為用于本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件20的結(jié)構(gòu)實(shí)例3的GMR膜 50的橫截面圖。結(jié)構(gòu)實(shí)例3的GMR膜50是結(jié)構(gòu)實(shí)例2的GMR膜40的改 型，包括將磁化自由層38夾在中間的第一、第二界面磁層52、 53。第一、 第二界面磁層52、 53防止鍺(Ge)原子從磁化自由層38向非磁層37、 47 擴(kuò)散。換而言之，GMR膜50包括磁化自由層疊物51，代替了圖3中GMR膜 40的磁化自由層38 (結(jié)構(gòu)實(shí)例2)。更確切地說，GMR膜50包括從底部依 次連續(xù)沉積的緩沖層31、下反鐵磁層32、下磁化被釘扎層疊物33、下非磁 金屬層37、磁化自由層疊物51、上非磁金屬層47、上磁化被釘扎層疊物43、 上反鐵磁層42以及保護(hù)層39。與圖3中同樣的元件用同樣的附圖標(biāo)記表示， 并省略對它們的說明。磁化自由層疊物51包括依次配置在下非磁金屬層37上的第一界面磁層 52、磁化自由層38以及第二界面磁層53。磁化自由層38由具有與圖2所示 的結(jié)構(gòu)實(shí)例1的GMR膜30同樣成分范圍的CoFeGe形成。第一、第二界面 磁層52、 53都由軟磁材料制成，厚度例如為0.2nm至2.5nm。優(yōu)選地，第 一、第二界面磁層52、53由自旋相關(guān)界面散射系數(shù)比CoFeGe大的材料形成。 這樣的材料例如有CoFe、 CoFe合金、NiFe以及NiFe合金。CoFe合金包括 CoFeNi、 CoFeCu、 CoFeCr、 CoFeAl等等。NiFe合金包括NiFeCu、 NiFeCr 等等。通過設(shè)置這對具有大的自旋相關(guān)界面散射系數(shù)值的軟磁材料膜將磁化 自由層38夾在中間，提高了磁化自由層疊物51的磁阻變化ARA。第一、第二界面磁層52、 53可由成分相同的同樣材料形成、也可由包含的元素相同但是成分不同的材料形成，或者由包含不同元素的不同材料形成。此外，第一、第二界面磁層52、 53可由成分比例與磁化自由層38不同 的CoFeGe制成。例如，可將矯頑磁性比磁化自由層38更高的CoFeGe用于 第一、第二界面磁層52、 53。結(jié)構(gòu)實(shí)例3的GMR膜50與結(jié)構(gòu)實(shí)例2的GMR膜40有同樣的效應(yīng)和 優(yōu)點(diǎn)，并且因?yàn)椴迦氲谝弧⒌诙缑娲艑?2、 53將磁化自由層38夾在中間， 所以磁阻變化ARA增加。圖5為用于本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件20的結(jié)構(gòu)實(shí)例4的GMR膜 60的橫截面圖。結(jié)構(gòu)實(shí)例4的GMR膜60是圖3所示結(jié)構(gòu)實(shí)例2的GMR膜 40的改型。與圖3中同樣的元件用同樣的附圖標(biāo)記表示，并省略對它們的說 明。在結(jié)構(gòu)實(shí)例4的GMR膜60中，在第二下磁化被釘扎層36與下非磁金 屬層37之間插入第三界面磁層63，在第二上磁化被釘扎層46與上非磁金屬 層47之間插入第四界面磁層64。換而言之，GMR膜60包括下磁化被釘扎 層疊物61和上磁化被釘扎層疊物62，代替了圖3所示的結(jié)構(gòu)實(shí)例2的GMR 膜40的下磁化被釘扎層疊物33和上磁化被釘扎層疊物43。因此，GMR膜 60包括從底部依次連續(xù)沉積的緩沖層31、下反鐵磁層32、下磁化被釘扎層 疊物61、下非磁金屬層37、磁化自由層38、上非磁金屬層47、上磁化被釘 扎層疊物62、上反鐵磁層42以及保護(hù)層39。下磁化被釘扎層疊物61包括設(shè)置在下第二磁化層36與下非磁金屬層37 之間的第一界面磁層63。上磁化被釘扎層疊物62包括設(shè)置在上非磁金屬層 47與上第二磁化層46之間的第二界面磁層64。第一、第二界面磁層63、 64 都由鐵磁材料形成，厚度范圍從0.2nm到2.5nm。優(yōu)選地，第一、第二界面 磁層63、 64的自旋相關(guān)界面散射系數(shù)都比CoFeGe的大。這樣的材料例如有 CoFe、 CoFe合金、NiFe以及NiFe合金。CoFe合金包括CoFeNi、 CoFeCu、 CoFeCr、 CoFeAl等等。NiFe合金包括NiFeCu、 NiFeCr等等。通過這樣的 配置，可增加磁阻變化ARA。第一、第二界面磁層63、 64可由成分相同的同樣材料形成，或者由包 含的元素相同但是成分不同的材料形成。結(jié)構(gòu)實(shí)例4的GMR膜60與結(jié)構(gòu)實(shí)例2的GMR膜40有同樣的效應(yīng)和優(yōu)點(diǎn)，并且因?yàn)榫哂械谝?、第二界面磁?3、 64，所以磁阻變化ARA增加。圖6為用于本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件20的結(jié)構(gòu)實(shí)例5的GMR膜 65A的橫截面圖。本實(shí)例的GMR膜65A是結(jié)構(gòu)實(shí)例4的GMR膜60的改型。 在該結(jié)構(gòu)中，將第二下磁化被釘扎層36配置在第二界面磁層63與第一鐵磁 連接層68之間，將第二上磁化被釘扎層46配置在第三界面磁層64與第四 鐵磁連接層69之間。結(jié)構(gòu)實(shí)例5的GMR膜65A包括從底部依次連續(xù)沉積的緩沖層31、下反 鐵磁層32、下磁化被釘扎層疊物66、下非磁金屬層37、磁化自由層38、上 非磁金屬層47、上磁化被釘扎層疊物67、上反鐵磁層42以及保護(hù)層39。下 磁化被釘扎層疊物66包括設(shè)置在下非磁耦合層35與第二下磁化被釘扎層36 之間的第一鐵磁連接層68，上磁化被釘扎層疊物67包括設(shè)置在第二上磁化 被釘扎層46與上非磁耦合層45之間的第二鐵磁連接層69。第一、第四鐵磁連接層68、 69的厚度范圍都是從0.2nm到2.5nm，并 且都由包含Co、 Ni和Fe的至少其中一種元素的鐵磁材料制成。這樣的材料 例如有CoFe、 CoFeB以及CoNiFe。第一鐵磁連接層68和第四鐵磁連接層 69分別由飽和磁化比第二下磁化被釘扎層36和第二上磁化被釘扎層46大的 鐵磁材料制成。這種配置增加了第一鐵磁連接層68與第一下磁化被釘扎層 34之間、以及第四鐵磁連接層69與第一上磁化被釘扎層44之間的交換耦合。 結(jié)果，穩(wěn)定了第二下磁化被釘扎層36和第二上磁化被釘扎層46的磁化方向， 并且磁阻變化ARA變得可靠。結(jié)構(gòu)實(shí)例5的GMR膜65A與結(jié)構(gòu)實(shí)例4的GMR膜60有同樣的效應(yīng)和 優(yōu)點(diǎn)。此外，因?yàn)椴迦氲谝?、第四鐵磁連接層68、 69，所以磁阻變化ARA 變穩(wěn)定。圖7為用于本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻器件20的結(jié)構(gòu)實(shí)例6的GMR膜 65B的橫截面圖。本實(shí)例的GMR膜65B是結(jié)構(gòu)實(shí)例3的GMR膜50與結(jié)構(gòu) 實(shí)例5的GMR膜65A的結(jié)合。GMR膜65B包括從底部依次連續(xù)沉積的緩 沖層31、下反鐵磁層32、下磁化被釘扎層疊物66、下非磁金屬層37、磁化 自由層疊物51、上非磁金屬層47、上磁化被釘扎層疊物67、上反鐵磁層42 以及保護(hù)層39。磁化自由層疊物51配置在下非磁金屬層37上，包括從底部 依次沉積的第一界面磁層52、磁化自由層38以及第二界面磁層53。本實(shí)例中，如果磁化自由層38、第二下磁化被釘扎層36、第二上磁化 被釘扎層46由CoFeGe形成，則在這些磁化被釘扎層與非磁金屬層37和47 之間的所有邊界中以每條邊界一個的方式插入界面磁層52、 53、 63和64。 此外，在下磁化被釘扎層疊物66中，在第二下磁化被釘扎層36與下非磁耦 合層35之間插入第一鐵磁連接層68;在上磁化被釘扎層疊物67中，在第二 上磁化被釘扎層46與上非磁耦合層45之間插入第二鐵磁連接層69。這種配 置能夠最有效地增加GMR膜65B的磁阻變化ARA并使其穩(wěn)定。雖然在第一實(shí)施例中描述了結(jié)構(gòu)實(shí)例3至結(jié)構(gòu)實(shí)例6的GMR膜是結(jié)構(gòu) 實(shí)例2的雙自旋閥GMR膜40的改型，但是結(jié)構(gòu)實(shí)例3-6的配置也可以應(yīng)用 于圖2所示的結(jié)構(gòu)實(shí)例1的單自旋閥GMR膜30的磁化自由層38和第二磁 化被釘扎層36。圖8為示出用作圖3所示結(jié)構(gòu)實(shí)例2的GMR膜40的磁化自由層38的 CoFeGe膜中，具有不同的CoFeGe成分的樣品No.l至No.20的MR比(％) 的測量結(jié)果的表格。各樣品以如下方式制造。在覆蓋有熱氧化膜的硅襯底上形成層疊膜Qi (250 nm) /NiFe (50nm)作為底電極21 (參見圖1)。然后，在不加熱襯 底的條件下用濺射設(shè)備在超高真空環(huán)境(等于或小于2X10—6Pa)中形成從 緩沖層31開始向上到保護(hù)層39的層疊物。層疊物中各層的成分和膜厚在下 面列出。沉積之后，進(jìn)行熱處理以獲得反鐵磁層的反鐵磁性。熱處理的條件 是通過提供1952KA/m的磁場，以300'C加熱3小時。然后，通過離子研磨 和光刻來加工該多層結(jié)構(gòu)以獲得層疊物。在實(shí)際工藝中，制造六種連接區(qū)域 尺寸不同(從0.1//附2到0.6/^2)的層疊物，對于每一種連接區(qū)域尺寸制造四 十(40)片層疊物。然后，在層疊物上形成二氧化硅膜。干蝕刻二氧化硅膜以暴露出保護(hù)層， 沉積Au膜形成與保護(hù)層接觸的頂電極。各樣品(No.l至No.20)中使用的 GMR膜40中的各個層的材料和厚度(在括號中)在下面列出。緩沖層31: Ru (4nm)下反鐵磁層32: IrMn (7nm)第一下磁化被釘扎層34: Co6()Fe4Q (3.5 nm)下非磁耦合層35: Ru (0.7 nm)下第二磁化被釘扎層36: CoFeAl (5.0 nm) 下非磁金屬層37: Cu (3.5 nm) 磁化自由層38: CoFeGe (4.5 nm) 上非磁金屬層47: Cu (3.5 nm) 第二上磁化被釘扎層46: CoFeAl (3.0 nm) 上非磁耦合層45: Ru (0.7 nm) 第一上磁化被釘扎層44: Co6QFe4() (3.5 nm) 上反鐵磁層42: IrMn (7nm) 保護(hù)層39: Ru (5nm)對各個樣品(No.l至No.20)測量了磁阻變化AR，對各種連接區(qū)域尺 寸計算了平均磁阻(MR)比(用ARA/RA表示)。測量磁阻變化AR時， 感測電流為2 mA，外部磁場平行于上、下第二磁化被釘扎層36和36的磁 化方向，從-79KA/m掃描到79KA/m。用數(shù)字電壓計測量底電極與頂電極之 間的電壓，以獲得磁阻曲線。然后，根據(jù)磁阻曲線的最大值與最小值之間的 差計算磁阻變化AR。根據(jù)在上述方向上從-7.9 KA/m到7.9 KA/m的范圍內(nèi) 掃描外部磁場獲得的磁阻曲線的磁滯現(xiàn)象，也可估計磁化自由層38的矯頑 力。由圖8的表格可知，在樣品No.l至No.20中ARA在5mQ/z附2或以上， 或者說MR比在5%或以上。根據(jù)發(fā)明人的研究，樣品No.l至No.20的磁阻 變化比包括CoFe磁化自由層的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的磁阻變化大。將CoFeGe膜用于 第二上磁化被釘扎層46和第二下磁化被釘扎層36的至少其中一個，就能夠 獲得這樣令人滿意的MR比。圖9為示出磁化自由層38的成分范圍的Co、 Fe、 Ge三元成分圖表，其 中將樣品(No.l至No.20)的MR比(％)在與成分對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)處標(biāo)出。 為了比較，將己知的Heusler合金的成分和對應(yīng)的MR比也用粗虛線標(biāo)出。已知Heusler合金的Co5()Fe25Ge25的MR比最大值為5.59%。相比而言， 根據(jù)本實(shí)施例成分在區(qū)域ABCD限定的范圍內(nèi)的CoFeGe磁化自由層38可 獲得5.6%或以上的MR比。特別是那些Fe成分更高且Ge成分更低的樣品 表現(xiàn)出令人滿意的高M(jìn)R比。明顯可知，與傳統(tǒng)合金(Co2Fe)H)o-xGex (0《X 《30 at.%)相比，成分范圍限定在區(qū)域ABCD中的結(jié)構(gòu)實(shí)例2的GMR膜40的MR比更高，因此更佳?？傊?，用于磁化自由層38的CoFeGe的優(yōu)選成分范圍在連接坐標(biāo)點(diǎn)A、 B、 C、 D的區(qū)域內(nèi)，設(shè)定各坐標(biāo)點(diǎn)表示(Co， Fe， Ge)的含量百分比，其 中點(diǎn)A為(42.5， 30， 27.5)，點(diǎn)B為(35， 52.5， 12.5)，點(diǎn)C為(57.5， 30.0， 12.5)，點(diǎn)D為(45.0， 27.5， 27.5)。該成分范圍能獲得比Co5。Fe25Ge25(即Heusler合金的成分)高的MR比，并提高關(guān)于信號磁場的輸出。通過實(shí)驗(yàn)確定，當(dāng)采用圖7所示的實(shí)例6的多層結(jié)構(gòu)，并將C045Fe35Ge2() 用于下、上第二磁化被釘扎層36和46以及磁化自由層38，并且在CoFeGe 膜的所有邊界配置CoFe界面磁層時，MR比能夠提高到最大值8.39%。根據(jù) 這個結(jié)果，可知在任一個CoFeGe膜與各個非磁層37、 47之間插入界面磁層(例如CoFe層)時，防止了Ge原子的擴(kuò)散并獲得高M(jìn)R比。CoFeGe的自旋相關(guān)體散射系數(shù)與CoFe的自旋相關(guān)體散射系數(shù)一樣大， 比其它軟磁材料的自旋相關(guān)體散射系數(shù)的數(shù)值高。此外，CoFeGe的電阻率 是CoFe的八倍以上。與CoFe相比，將CoFeGe用于磁化自由層38以及接 觸非磁金屬層37 (或47)的磁化被釘扎層36 (或46)的至少其中一個，則 由自旋相關(guān)體散射系數(shù)與電阻率的乘積確定的磁阻變化變得較高。因此，能 夠提高磁阻器件20的輸出電平。這樣，將具有由三元成分圖表中的區(qū)域ABCD限定的成分范圍的 CoFeGe用于磁化自由層38以及接觸非磁金屬層37 (或47)的磁化被釘扎 層36 (或46)的至少其中一個的磁阻器件20具有大的ARA值(表示每單 位面積的磁阻變化)，并實(shí)現(xiàn)了高輸出電平。隨著Ge成分的增加，電阻率 也增加；但是，如果Ge成分超過27.5%,則磁矩突然下降，結(jié)果MR比降 低。另一方面，如果Ge成分低于12.5%，則與CoFe相比電阻率不能令人滿 意，也不能提高M(jìn)R比。因此，Ge成分的優(yōu)選范圍為從12.5n/。到27.5W。 <第二實(shí)施例>圖10為用于根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的磁頭的磁阻效應(yīng)膜的示意性橫截 面圖。在第二實(shí)施例中，將隧道磁阻膜(下面稱為TMR膜)用于磁阻器件， 代替第一實(shí)施例的GMR膜，其它結(jié)構(gòu)和配置與第一實(shí)施例相同。因此，這 里省略對磁頭的說明。圖10-圖15示出在第二實(shí)施例的磁阻器件20中使用的TMR膜的結(jié)構(gòu)實(shí)例1-6。除了用非磁絕緣層37a和47a分別代替第一實(shí)施例中的非磁金屬層 37和47之外，第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)實(shí)例l-6的TMR膜70、 71、 72、 73、 74A 和74B與圖2-圖7中所示的GMR膜30、 40、 50、 60、 65A和65B具有相同的結(jié)構(gòu)。非磁絕緣層37a和47a都具有膜厚例如為0.2 nm至2.0 nm，并且都由從 Mg、 Al、 Ti和Zr組成的群組中選擇的物質(zhì)的氧化物形成。氧化物的實(shí)例包 括MgO、 A10x、 TiOx和ZrOx，其中下標(biāo)"X"表示成分可偏離化合物成分 (compound composition)。在這些氧化物材料中，結(jié)晶的MgO特別適合于 非磁絕緣層37a和47a?；蛘撸谴沤^緣層37a和47a都由從Al、 Ti和Zr 組成的群組中選擇的物質(zhì)的氮化物或氮化物的混合物(nitride compound)形 成。這樣的氮化物包括A1N、 TiN和ZrN?？赏ㄟ^濺射方法、CVD方法或者氣相沉積方法直接在底層上形成非磁絕 緣層37a和47a;或者，通過濺射方法、CVD方法或者氣相沉積方法在底層 上形成金屬層，然后通過氧化或氮化工藝將金屬層轉(zhuǎn)化為金屬氧化物或金屬 氮化物。用與第一實(shí)施例測量ARA (表示每單位面積的磁阻變化)相同的方式獲 得每單位面積隧道電阻的變化量。磁化自由層38和第二磁化被釘扎層36或 46的極化率越大，每單位面積隧道電阻的變化量越大。在此，極化率為鐵磁 層(即磁化自由層38和第二磁化被釘扎層36、 46)經(jīng)由絕緣層(即非磁絕 緣層37a和47a)的極化率。由于CoFeGe的自旋極化與傳統(tǒng)使用的NiFe或 CoFe相同，所以希望像在第一實(shí)施例中一樣，通過將CoFeGe用于磁化自由 層38和第二磁化被釘扎層36 (或47)的至少其中一個，增加每單位面積隧 道電阻的變化。還希望用CoFeAl制成第二磁化被釘扎層36 (或46)，而將 CoFeGe用于磁化自由層38時，也能夠增加每單位面積隧道電阻的變化。用于磁化自由層38的CoFeGe的成分范圍與結(jié)合第一實(shí)施例說明的范圍 相同，該范圍在圖9所示連接坐標(biāo)點(diǎn)A、 B、 C、 D的線段所限定的區(qū)域內(nèi)。 將成分范圍設(shè)定在該區(qū)域內(nèi)，能夠以TMR膜實(shí)現(xiàn)高輸出磁阻器件。在第二實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)實(shí)例3-5的TMR膜72、 73、 74A為圖ll所示結(jié) 構(gòu)實(shí)例2的TMR膜71的改型。這種雙自旋閥TMR結(jié)構(gòu)可用于圖10所示 的TMR膜70的磁化自由層38和/或第二磁化被釘扎層36。此外，結(jié)構(gòu)實(shí)例3的TMR膜72和結(jié)構(gòu)實(shí)例5的TMR膜74A可結(jié)合起來獲得圖15所示的結(jié) 構(gòu)實(shí)例6的TMR膜74B，這種結(jié)合能夠獲得最佳的輸出電平。 <第三實(shí)施例>圖16為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的磁存儲設(shè)備的平面圖。磁存儲設(shè)備90 的殼體91中容置了由心軸(未示出)驅(qū)動的中心軸(hub) 92、固定在中心 軸92上由心軸轉(zhuǎn)動的磁記錄介質(zhì)93、致動器單元94、由致動器單元94支 撐的且在磁記錄介質(zhì)93的徑向上驅(qū)動的懸臂(suspension) 96、以及由懸臂 96支撐的磁頭98。磁記錄介質(zhì)93可以是平面內(nèi)磁記錄型或者垂直磁記錄型，可以是具有 傾斜各向異性的記錄介質(zhì)。磁記錄介質(zhì)93不限于磁盤，也可以是磁帶。磁頭98包括磁阻器件20和形成在陶瓷襯底11上的感應(yīng)式寫入器件13， 如圖1所示。感應(yīng)式寫入器件13可以是用于平面內(nèi)記錄的環(huán)型、用于垂直 記錄的單磁極型、或者其它已知的類型。磁阻器件20具有第一實(shí)施例的結(jié) 構(gòu)實(shí)例1-6的任一種GMR膜，也可以具有第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)實(shí)例1-5的任 一種TMR膜。在每一種情況下，磁阻器件20都具有足夠的每單位面積磁阻 變化量(ARA)，或者具有大的隧道電阻變化量，以獲得高輸出電平。磁存 儲設(shè)備90適合于高密度記錄。應(yīng)注意，第三實(shí)施例的磁存儲設(shè)備的基本結(jié) 構(gòu)僅僅是實(shí)例，且不限于圖16所示的實(shí)例。 <第四實(shí)施例>圖17A為第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)實(shí)例1的磁存儲器器件的橫截面圖。圖17B 為示出圖17A中使用的GMR膜30的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖18為磁存儲器器件 的存儲器單元的等效電路圖。圖17A中示出正交(？)坐標(biāo)軸以指示方向。 Yl和Y2方向垂直于紙平面,Yl方向進(jìn)入紙平面，而Y2方向從紙平面出來。 在下面的描述中，將某方向僅僅稱為"X方向"時，該方向可以是X1方向 或者X2方向，對于"Y方向"和"Z方向"也是如此。在附圖中，與前面 已經(jīng)描述的同樣的元件用同樣的附圖標(biāo)記表示，并省略對它們的說明。本實(shí)例中磁存儲器器件100包括多個排列成矩陣的存儲器單元101。各 存儲器單元101包括磁阻效應(yīng)(GMR)膜30和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶 體管(MOSFET) 102。 MOSFET 102可使用p溝道MOSFET或者n溝道 MOSFET。這里，采用將電子用作載流子的n溝道MOSFET作為實(shí)例進(jìn)行描述。MOSFET 102包括在硅襯底103中形成的含有p型雜質(zhì)的p阱區(qū)104， 在p阱區(qū)104中的硅襯底103表面附近彼此獨(dú)立地形成的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)105a 和105b，在雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)105a和105b中已引入了 n型雜質(zhì)。這里，雜質(zhì)擴(kuò)散 區(qū)105a用作源極S，另一個雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)105b用作漏極D。 MOSFET 102的 柵電極G形成在兩個雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)105a與105b之間硅襯底103表面上的柵極 絕緣膜106上。MOSFET 102的源極S通過垂直布線114a和層內(nèi)布線115與GMR膜 30的一側(cè)(例如基層31)電連接。此外，板線108通過垂直布線114b與漏 極D電連接。用于讀取的字線109與柵電極G電連接?；蛘?，柵電極G也 可以充當(dāng)字線109用于讀取。位線110與GMR膜30的另一側(cè)(例如保護(hù)膜 39)電連接。用于寫入的字線111設(shè)置在GMR膜30下面，并與其相隔離。 GMR膜30的結(jié)構(gòu)與圖2所示的相同。在GMR膜30中，磁化自由層38的 易磁化軸和難磁化軸的取向分別沿著X軸和Y軸，如圖17A所示?？赏ㄟ^ 熱處理或者根據(jù)形狀各向異性形成易磁化軸的方向。在根據(jù)形狀各向異性在 X軸方向上形成易磁化軸的情況下，GMR膜30的平行于其膜表面(或者平 行于X-Y平面)的橫截面形狀成為X方向上的邊大于Y方向上的邊的矩形。在磁存儲器器件100中，用層間絕緣膜113 (例如氮化硅膜或二氧化硅 膜)覆蓋硅襯底103的表面和柵電極G。除了上述電連接外，GMR膜30、 板線108、用于讀取的字線109、位線IIO、用于寫入的字線lll、垂直互連 114以及平面內(nèi)互連115通過絕緣膜113互相電隔離。磁存儲器器件100將信息保留在GMR膜30中。根據(jù)磁化自由層38的 磁化是平行于還是反平行于第二磁化被釘扎層36的磁化，保留的信息表示 不同的值。接著說明磁存儲器器件100的讀取和寫入操作。將信息寫入磁存儲器器 件100的GMR膜30中時，使用分別在GMR膜30上、下延伸的位線110 和用于寫入的字線111。位線110在GMR膜30上沿X方向延伸。通過向位 線110提供電流，則在Y方向上將磁場提供給GMR膜30。用于寫入的字線 111在GMR膜30下沿Y方向延伸。通過向用于寫入的字線111提供電流， 則在X方向上將磁場提供給GMR膜30。當(dāng)實(shí)質(zhì)上沒有提供磁場時，GMR 膜30的磁化自由層38的磁化沿著X方向(例如X2方向)，并且這個磁化方向是穩(wěn)定的。將信息寫入GMR膜30中時，電流同時提供給位線IIO和用于寫入的字 線lll。例如，為了使磁化自由層38的磁化沿著X1方向，在Y1方向上將 電流提供給寫入字線111。結(jié)果，GMR膜30中的磁場取向?yàn)閄1方向。此 時，提供給位線110的電流方向可以是X1方向或者X2方向。流過位線IIO 的電流在GMR膜30中產(chǎn)生的磁場沿著Y1方向或者Y2方向，并且充當(dāng)一 部分磁場用于磁化自由層38的磁化，以越過難磁化軸的屏障(barrier)。也 就是說，作為同時向磁化自由層38的磁化提供X1方向上的磁場和Yl或Y2 方向上的磁場的結(jié)果，磁化自由層38的取向?yàn)閄2方向的磁化反轉(zhuǎn)到XI方 向。去除磁場后，磁化自由層38的磁化保留X1方向的取向并保持穩(wěn)定，除 非提供下一次寫入操作的磁場或者用于擦除的磁場。這樣，根據(jù)磁化自由層38的磁化方向，在GMR膜30中記錄"1"或"0"。 例如，當(dāng)?shù)诙呕会斣鷮?6的磁化方向?yàn)閄I方向時，如果磁化自由層 38的磁化方向?yàn)閄I方向(低隧道電阻狀態(tài))，則記錄"1"，如果磁化自 由層38的磁化方向?yàn)閄2方向(高隧道電阻狀態(tài))，則記錄"O"。在寫入操作中提供給位線IIO和寫入字線111的電流的大小被選擇為， 使得單獨(dú)提供給位線IIO和寫入字線111的其中一個的電流不會反轉(zhuǎn)磁化自 由層38的磁化。結(jié)果，僅僅在提供了電流的位線110和提供了電流的用于 寫入的字線111的交叉點(diǎn)處的GMR膜30的磁化自由層38的磁化中進(jìn)行記 錄。將源極S側(cè)設(shè)定為高阻抗，以防止在寫入操作中當(dāng)使電流流過位線110 時電流流過GMR膜30。在GMR膜30上進(jìn)行磁存儲器器件100的讀取操作時，將關(guān)于源極S 的負(fù)電壓提供給位線110，將比MOSFET102的閾值電壓(正電壓)高的電 壓提供給讀取字線109，即柵電極G。結(jié)果，MOSFET 102導(dǎo)通，電子通過 GMR膜30、源極S以及漏極D從位線IIO流向板線108。電流傳感器118 (例如安培計)與板線108電連接，以讀取與磁化自由層38的磁化關(guān)于第 二磁化被釘扎層36的磁化的方向相對應(yīng)的磁阻值。通過這種方式，能夠讀 出GMR膜30保留的信息"1"或"0"。在第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)實(shí)例1的磁存儲器器件100中，GMR膜30的磁化 自由層38由CoFeGe形成，以獲得大的磁阻變化ARA。這意味著對應(yīng)于保留的"0"和"1"的磁阻值之間的差足夠大，所以能確保準(zhǔn)確的讀出操作。由于GMR膜30的磁化自由層38中使用的CoFeGe的成分被選擇在圖9所 示的區(qū)域ABCD所限定的范圍內(nèi)，所以MR比高于C05。Fe2sAl25 (即Heusler 合金的成分)的MR比?？捎脠D3至圖7中所示的結(jié)構(gòu)實(shí)例2-6中GMR膜 40、 50、 60、 65A和65B中的任一個代替磁存儲器器件100中使用的GMR 膜30。圖19為示出TMR膜70的結(jié)構(gòu)的示意圖，TMR膜70用于代替圖17所 示的GMR膜30,作為結(jié)構(gòu)實(shí)例1的磁存儲器器件100的改型。TMR膜70 的基本結(jié)構(gòu)與第二實(shí)施例的磁阻器件中使用的結(jié)構(gòu)實(shí)例1的TMR膜的結(jié)構(gòu) 相似。在TMR膜70中，緩沖層31與平面內(nèi)互連115接觸，保護(hù)膜與位線 110接觸。此外，磁化自由層38的易磁化軸以與上述GMR膜30相同的方 式配置。采用TMR膜70的情況下磁存儲器器件110的寫入操作和讀取操作 與采用GMR膜30的情況下相同，因此省略其描述。如第二實(shí)施例所述，TMR膜70表現(xiàn)出隧道電阻效應(yīng)。因?yàn)榇呕杂蓪?38由具有特定成分范圍的CoFeGe形成，所以TMR膜70顯示出大的隧道電 阻變化量。因此，磁存儲器器件100能夠以對應(yīng)于保留在TMR膜中的值"O" 和"1"之間的差的足夠大的隧道電阻變化量進(jìn)行準(zhǔn)確的讀取操作。應(yīng)注意， 在磁存儲器器件中可使用圖13至圖15中所示的結(jié)構(gòu)實(shí)例2-6的TMR膜中 的任一個。除了磁化自由層38之外，或者取代磁化自由層38，將具有特定成分范 圍的CoFeGe用于第二磁化被釘扎層36和域46，能夠獲得相似或更大的效 應(yīng)。圖20為磁存儲器器件120的橫截面圖，磁存儲器器件120為第四實(shí)施 例的磁存儲器器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例2。圖20中，與前面實(shí)例中同樣的元件用同樣 的附圖標(biāo)記表示，并省略對它們的說明。磁存儲器器件120在GMR膜30中 寫入信息的機(jī)制和操作方面與結(jié)構(gòu)實(shí)例1的磁存儲器器件100不同。除了不設(shè)置寫入字線111之外，磁存儲器器件120的存儲器單元的結(jié)構(gòu) 與圖17A、圖17B所示的存儲器單元101相同。下面參照圖20以及圖17B 給出更詳細(xì)的說明。在磁存儲器器件120的寫入操作中，將自旋極化電流Iw注入GMR膜30。根據(jù)電流的方向，磁化自由層38的磁化關(guān)于第二磁化被釘扎層36的磁 化從平行反轉(zhuǎn)為反平行或者從反平行反轉(zhuǎn)為平行。自旋極化電流Iw為電子 流，其自旋磁矩取向?yàn)殡娮涌扇〉膬蓚€可能方向中的一個。通過在GMR膜 30的Z,方向或Z2方向上將自旋極化電流Iw引入GMR膜30，在磁化自由 層38的磁化中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致所謂的自旋轉(zhuǎn)換磁化反轉(zhuǎn)。根據(jù)磁化自由層 38的膜厚適當(dāng)?shù)剡x擇自旋極化電流Iw的大小，從幾個mA到20mA。自旋 極化電流Iw小于在圖17A所示的結(jié)構(gòu)實(shí)例1的磁存儲器器件的寫入操作中 流過位線IIO和寫入字線111的電流，因此，采用結(jié)構(gòu)實(shí)例2的磁存儲器器 件120能夠降低功耗。通過將電流垂直提供給用一對鐵磁層將銅(Cu)膜夾在中間的多層實(shí)體 (其結(jié)構(gòu)與GMR膜30相似)，能夠產(chǎn)生自旋極化電流。通過將兩個鐵磁層 的磁化設(shè)定為彼此平行或反平行，能夠控制電子的自旋磁矩的方向。磁存儲 器器件120的讀取操作與圖17A所示的結(jié)構(gòu)實(shí)例1的磁存儲器器件IOO相同。因?yàn)槌私Y(jié)構(gòu)實(shí)例1的磁存儲器器件100的效應(yīng)之外還具有低功耗的效 應(yīng)，所以結(jié)構(gòu)實(shí)例2的磁存儲器器件120更有利。應(yīng)注意，可用圖3至圖7 中所示的結(jié)構(gòu)實(shí)例2-6中GMR膜40、 50、 60、 65A和65B中的任一個、或 者用圖12至圖15中所示的結(jié)構(gòu)實(shí)例1-6中TMR膜中的任一個代替磁存儲 器器件120中使用的GMR膜30。雖然用第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)實(shí)例1和2的磁 存儲器器件IOO和120中的MOSFET在讀取和寫入操作中控制電流的方向， 但是也可以用其它適當(dāng)?shù)氖侄慰刂齐娏鞯牧鲃?。通過在磁化自由層和磁化被釘扎層的至少其中一個中使用CoFeGe,以 及通過將CoFeGe層的成分選擇在適當(dāng)范圍內(nèi)，能夠增加每單位面積磁阻的 變化量ARA。雖然基于優(yōu)選實(shí)例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明不限于這些實(shí)例，而是包括 落入由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的多個變型和替代。例如，第 三實(shí)施例中描述的盤形磁記錄介質(zhì)可用磁帶代替。在這種情況下，將本發(fā)明 應(yīng)用于磁帶驅(qū)動器，即磁存儲設(shè)備的另一個實(shí)例。雖然在本實(shí)施例中，對設(shè) 置有磁阻器件和寫入器件的磁頭進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明也可應(yīng)用于有一個 以上磁阻器件而沒有寫入器件的磁頭。本申請基于2007年2月19日提出的日本在先申請No.2007-038198，通 過參考將該申請的全部內(nèi)容合并于此。
權(quán)利要求
1、一種CPP型磁阻器件，包括磁化被釘扎層；磁化自由層；以及非磁層，設(shè)置在所述磁化被釘扎層與所述磁化自由層之間；其中，所述磁化自由層和所述磁化被釘扎層中的至少一個由CoFeGe形成，以及其中，所述CoFeGe的成分落入三元成分圖表中由連接坐標(biāo)點(diǎn)A、B、C、D的線段所限定的范圍內(nèi)，其中點(diǎn)A為(42.5，30，27.5)，點(diǎn)B為(35，52.5，12.5)，點(diǎn)C為(57.5，30.0，12.5)，點(diǎn)D為(45.0，27.5，27.5)，并且其中各坐標(biāo)點(diǎn)由用原子百分比(at.％)表示的(Co，F(xiàn)e，Ge)的含量百分比來表示。
2、 如權(quán)利要求1所述的磁阻器件，其中，當(dāng)所述磁化自由層和所述磁 化被釘扎層中的一個由CoFeGe形成時，另一個由CoFeGe或CoFeAl形成。
3、 如權(quán)利要求1所述的磁阻器件，還包括界面磁層，插入在所述非磁層與用于所述磁化自由層和所述磁化被釘扎 層中的至少一個的CoFeGe層之間。
4、 如權(quán)利要求1所述的磁阻器件，還包括對稱設(shè)置的磁化被釘扎層，所述對稱設(shè)置的磁化被釘扎層與所述磁化被 釘扎層關(guān)于所述磁化自由層對稱；以及第二非磁層，插入在所述磁化自由層與所述對稱設(shè)置的磁化被釘扎層之間；其中，所述磁化自由層、所述磁化被釘扎層以及所述對稱設(shè)置的磁化被 釘扎層中的至少一個由具有所述成分的CoFeGe形成。
5、 如權(quán)利要求4所述的磁阻器件，還包括 第一界面磁層和第二界面磁層；其中，所述磁化自由層位于所述非磁層與所述第二非磁層之間，以及 其中，所述第一界面磁層設(shè)置在所述磁化自由層與所述非磁層之間，而 所述第二界面磁層設(shè)置在所述磁化自由層與所述第二非磁層之間。
6、 如權(quán)利要求3所述的磁阻器件，其中，所述界面磁層由包括CoxFe(K)o-x)(0《X《100at.%) 、 Ni8oFe或者CoFeAl的磁合金形成。
7、 如權(quán)利要求5所述的磁阻器件，其中，所述第一界面磁層和第二界 面磁層由包括CoxFe(1()().x) (0《X《100 at.%) 、 Ni犯Fe或者CoFeAl的磁合金 形成。
8、 如權(quán)利要求5所述的磁阻器件，其中，所述磁阻器件的MR比在5.6% 或以上。
9、 如權(quán)利要求1所述的磁阻器件，其中，所述CoFeGe的電阻率(;O 的范圍從50^^到300//^附，自旋相關(guān)體散射系數(shù)(〃)在0.4或以上。
10、 如權(quán)利要求1所述的磁阻器件，其中，所述磁化被釘扎層包括第一 磁化被釘扎膜、第二磁化被釘扎膜、以及設(shè)置在所述第一磁化被釘扎膜與所 述第二磁化被釘扎膜之間的非磁耦合層。
11、 如權(quán)利要求10所述的磁阻器件，還包括界面磁層，設(shè)置在所述第二磁化被釘扎膜與所述非磁層之間；其中，所述磁化被釘扎層的所述第二磁化被釘扎膜位于靠近所述非磁層
12、 一種磁頭，包括襯底，形成磁頭滑動器的基底；以及如權(quán)利要求1所述的磁阻器件，形成在所述襯底上。
13、 一種磁存儲設(shè)備，包括 磁記錄介質(zhì)；以及磁頭，配置為讀取記錄在所述磁記錄介質(zhì)中的信息，所述磁頭包括如權(quán) 利要求1所述的磁阻器件。
14、 一種磁存儲器器件，包括存儲器元件，具有CPP型磁阻效應(yīng)膜，所述磁阻效應(yīng)膜包括磁化被釘扎 層、磁化自由層以及設(shè)置在所述磁化被釘扎層與所述磁化自由層之間的非磁 層；寫入單元，配置為通過向位線和字線提供電流以產(chǎn)生提供給所述磁阻效 應(yīng)膜的磁場，或者通過向所述磁阻效應(yīng)膜提供自旋極化電流，來確定所述磁 化自由層的磁化方向；以及讀取單元，配置為向所述磁阻器件提供感測電流，以感測電阻；其中，所述磁化自由層和所述磁化被釘扎層中的至少一個由CoFeGe形 成，以及其中，所述CoFeGe的成分落入三元成分圖表中由連接坐標(biāo)點(diǎn)A、 B、 C、 D的線段所限定的范圍內(nèi)，其中點(diǎn)A為(42.5， 30， 27.5)，點(diǎn)B為(35， 52.5， 12.5)，點(diǎn)C為(57.5， 30.0， 12.5)，點(diǎn)D為(45.0， 27.5， 27.5)，并且其中各坐標(biāo)點(diǎn)由用原子百分比(at.%)表示的(Co， Fe， Ge)的含量百 分比來表示。
15、如權(quán)利要求14所述的磁存儲器器件，還包括 開關(guān)器件，連接到所述存儲器元件的一端； 其中，所述位線連接到所述存儲器元件的另一端。
全文摘要
一種CPP型磁阻器件，包括磁化被釘扎層；磁化自由層；以及非磁層，設(shè)置在所述磁化被釘扎層與所述磁化自由層之間。所述磁化自由層和所述磁化被釘扎層的至少其中一個由CoFeGe形成，所述CoFeGe的成分落入三元成分圖表中由連接坐標(biāo)點(diǎn)A、B、C、D的線段所限定的范圍內(nèi)，其中點(diǎn)A為(42.5，30，27.5)，點(diǎn)B為(35，52.5，12.5)，點(diǎn)C為(57.5，30.0，12.5)，點(diǎn)D為(45.0，27.5，27.5)，并且其中各坐標(biāo)點(diǎn)由用原子百分比(at.％)表示的(Co，F(xiàn)e，Ge)的含量百分比來表示。還提供包括上述磁阻器件的磁頭、磁存儲設(shè)備及磁存儲器。能獲得較高的MR比，并提高輸出電平。
文檔編號H01F10/32GK101252166SQ20081008043
公開日2008年8月27日 申請日期2008年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月19日
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