專利名稱：電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻磁頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從磁性記錄介質(zhì)驅(qū)動器或者例如硬盤驅(qū)動器(HDD)這樣的設(shè)備讀取磁性信息的磁阻元件。具體來說，本發(fā)明涉及一種電流垂直于平面(CPP)結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中包括自由磁性層、被固定磁性層以及導(dǎo)電非磁性中間層。讀出電流被設(shè)計(jì)為包括垂直于在CPP結(jié)構(gòu)磁阻元件中的磁阻薄膜的表面的電流成份。
背景技術(shù)：
包括所謂的多層大磁阻(GMR)膜的一種CPP結(jié)構(gòu)磁阻元件是眾所周知的。這種CPP結(jié)構(gòu)磁阻元件允許隨著磁性層數(shù)目的增加而在電阻中提供較大的變化。眾所周知，在磁阻中的較大變化導(dǎo)致用較小的電流值的讀出電流精確在讀取二進(jìn)制磁性信息。具體來說，在磁阻中的較大變化可以被保持在這種CPP結(jié)構(gòu)磁阻元件中而與元件的較小尺寸或者磁芯寬度無關(guān)。CPP結(jié)構(gòu)的磁阻元件有望增加記錄密度。
盡管磁性層的數(shù)目增加導(dǎo)致減小磁性寬度，從而提高記錄道的密度，但是這不可避免地阻止了線密度的提高，即減小數(shù)位長度。相應(yīng)地，能夠如愿地提高記錄密度。另外，難以適當(dāng)?shù)乜刂谱杂设F磁層的磁疇，以及抑制磁滯現(xiàn)象。
一種包含所謂的旋閥膜的CPP結(jié)構(gòu)磁阻元件被提出。該旋閥膜實(shí)際上廣泛地被用于平面中電流(CIP)結(jié)構(gòu)的磁阻元件，以允許讀出電流與磁阻膜的表面相平行地流動。具體來說，該旋閥膜大大地防止受到自由鐵磁層中的磁疇的控制，以及抑制磁滯現(xiàn)象。但是，在包含旋閥膜的CPP結(jié)構(gòu)的磁阻元件中不能夠期望獲得在磁阻變化率的極大提高。

發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地，本發(fā)明一個(gè)目的是提供一種CPP結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其能夠用少量的層面來建立在電阻中的較大變化。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，在磁提供一種電流垂直于平面(CPP)結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中包括自由磁性層；被固定磁性層；插入在自由和被固定磁性層之間的非磁性中間層，所述非磁性中間層包括多個(gè)導(dǎo)電層；以及存在于至少一對導(dǎo)電層之間的邊界上的絕緣材料。
另外，根據(jù)本發(fā)明第二方面，在此提供一種電流垂直于平面(CPP)結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中包括自由磁性層；被固定磁性層；插入在自由和被固定磁性層之間的非磁性中間層；以及存在于非磁性中間層上所確定的一個(gè)邊界上的絕緣材料。
當(dāng)CPP結(jié)構(gòu)磁阻元件被置于從磁性記錄介質(zhì)泄露的磁場中時(shí)，自由磁性層的磁化被允許根據(jù)磁場的磁極的反向而旋轉(zhuǎn)。在自由層中的磁化的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致在CPP結(jié)構(gòu)的磁阻元件的電阻的較大變化。通過自由磁性層、非磁性中間層和被固定磁性層的讀取電流的電壓響應(yīng)電阻的變化而變化。在電壓中的變化可以被用于檢測二進(jìn)制的磁性數(shù)據(jù)。
在這種情況中，絕緣材料被用于減小讀取電流的路徑的截面面積。CPP結(jié)構(gòu)的磁性元件響應(yīng)在自由磁性層中的磁化的旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)在電阻中的較大變化。較小電平的讀出電流仍然被用于獲得足夠大的電壓變化。相應(yīng)地，CPP結(jié)構(gòu)的磁阻元件大大有助于進(jìn)一步提高記錄密度以及減小電能消耗。
上述絕緣材料可以是金屬氧化物、金屬氮化物等等。金屬氧化物或氮化物可以包括磁性金屬原子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)包含磁性金屬原子的絕緣材料顯著地有助于增加電阻的變化率。磁性金屬原子可以包括至少Fe、Co和Ni中的一種。例如，絕緣材料可以是CoFe合金的氧化物或氮化物。如果CoFe合金暴露于氧氣、氧等離子體、氧自由基等等中，則在導(dǎo)電層上可以容易地獲得CoFe合金的氧化物。類似地，如果CoFe合金暴露于氮?dú)庵?，則在導(dǎo)電層上可以容易地獲得CoFe合金的氮化物。
金屬氧化物或氮化物可以與邊界上的金屬材料相混合。該金屬材料可以包括磁性金屬材料。當(dāng)CoFe合金的氧化物或氮化物存在于邊界上時(shí)，該金屬材料可以是CoFe合金。絕緣材料和金屬材料的混合物大大地有助于增加電阻的變化率。
另外，根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)方面，在此提供一種電流垂直于平面(CPP)結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中包括自由磁性層；被固定磁性層；插入在自由和被固定磁性層之間的導(dǎo)電非磁性中間層；以及存在于導(dǎo)電非磁性中間層上所確定的一個(gè)邊界上的磁性金屬。按照與上文所述相同的方式，CPP結(jié)構(gòu)磁阻元件在電阻上表現(xiàn)出較大的幅度和變化。MR比可以得到提高。相應(yīng)地，從該CPP結(jié)構(gòu)磁阻元件可以獲得在電壓上的較大變化。
在這種情況中，磁性金屬可以包括至少Fe、Co和Ni中的一種。該磁性金屬例如可以是CoFe合金。具體來說，磁性金屬與任何絕緣材料一同存在于該邊界上。該絕緣材料用于減小通過自由磁性層、非磁性中間層和被固定磁性層的讀出電流。


從下文結(jié)合附圖對優(yōu)選實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的上述和其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，其中圖1為示出硬盤驅(qū)動器(HDD)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平面示圖；圖2為示出根據(jù)一個(gè)具體例子的懸浮磁頭滑塊的結(jié)構(gòu)的放大透視圖；圖3為示出在氣墊表面上觀察的讀/寫電磁變換器的正視圖；圖4為示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻(MR)分層塊的結(jié)構(gòu)的放大正視圖；圖5為示出通過MR分層塊的電流路徑的示意圖；圖6為示出形成在晶片上的MR分層塊的晶片的部分放大垂直截面示圖；圖7為示出形成磁疇控制條層的處理的晶片的部分放大垂直截面示圖；
圖8為示出形成覆蓋絕緣層的處理的晶片的部分放大垂直截面示圖；圖9為示出確定對應(yīng)于上電極的一個(gè)端凸塊的輪廓的凹孔的光刻膠膜的晶片的部分放大垂直截面示圖；圖10為示出形成接觸孔的處理的晶片的部分放大垂直截面示圖；圖11為示出形成上電極的處理的晶片的部分放大垂直截面示圖；圖12為示出在MR分層塊中形成分層材料膜的處理的晶片的部分放大垂直截面示圖；圖13為示出形成分層材料膜的處理的晶片的部分放大垂直截面示圖；圖14為示出暴露于氧氣下的CoFeB層的厚度與磁阻(MR)比以及在所施加電流的電壓中的變化率之間的關(guān)系的曲線圖；圖15為示出暴露于氧氣下的CoFeB層的厚度與磁阻(MR)比以及在所施加電流的電壓中的變化率之間的關(guān)系的曲線圖；圖16為示出暴露于氧氣下的CoFeB層中的Fe成份的含量與MR比以及在所施加電流的電壓中的變化率之間的關(guān)系的曲線圖；圖17為示出暴露于氧氣下的CoFeB層中的Fe成份的含量與MR比以及在所施加電流的電壓中的變化率之間的關(guān)系的曲線圖；圖18為示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的MR分層塊的結(jié)構(gòu)的放大正視圖；圖19為示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的MR分層塊的結(jié)構(gòu)的放大正視圖；圖20為示出暴露于氧氣下的CoFeB層的厚度與電阻的幅度和變化率之間的關(guān)系的曲線圖；以及圖21為示出暴露于氧氣下的CoFeB層的厚度與MR比以及在所施加電流的電壓中的變化率之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為示出作為一種磁性記錄介質(zhì)驅(qū)動器或存儲設(shè)備的一個(gè)例子的硬盤驅(qū)動器(HDD)11的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖。HDD11包括一個(gè)盒形的主外殼12，其確定一個(gè)扁平的平行六面體的內(nèi)部空間。至少一種記錄介質(zhì)或磁性記錄盤13被包含在主殼體12內(nèi)的內(nèi)部空間中。磁性記錄盤13被安裝在主軸電機(jī)14的驅(qū)動軸上。主軸電機(jī)14能夠驅(qū)動磁性記錄盤13，用于使其以例如7200rpm(轉(zhuǎn)數(shù)/分)或10000rpm的較高轉(zhuǎn)速而旋轉(zhuǎn)。一個(gè)未示出的蓋子連接到主殼體12上，從而在主殼體12與該蓋子之間確定一個(gè)封閉的內(nèi)部空間。
支架16也被包含在主殼體12的內(nèi)部空間中，用于繞著垂直支持軸15擺動。支架16包括在水平方向上從垂直支持軸15延伸的剛性擺臂17，以及固定到擺臂17的未端以從該擺臂17向前延伸的彈性磁頭懸臂18。眾所周知，懸浮磁頭滑塊19通過未示出的萬向簧片懸置于磁頭懸臂18的未端。磁頭懸臂18用于把懸浮磁頭滑塊19壓向磁性記錄盤13的表面。當(dāng)磁性記錄盤13旋轉(zhuǎn)時(shí)，懸浮磁頭滑塊19能夠接收隨著旋轉(zhuǎn)的磁性記錄盤13而產(chǎn)生的氣流。該氣流用于在懸浮磁頭滑塊19上產(chǎn)生升力。通過在該升力和磁頭懸臂18的壓力之間的平衡，在磁性記錄盤13旋轉(zhuǎn)的過程中，懸浮磁頭滑塊19如此能夠保持較穩(wěn)定地懸浮在磁性記錄盤13的表面上。
當(dāng)支架16被驅(qū)動以在懸浮磁頭滑塊19懸浮過程中繞著支持軸15而擺動，懸浮磁頭滑塊19能夠在磁性記錄盤13的徑向方向上跨過在磁性記錄盤13上確定的記錄道。該徑向運(yùn)動用于把懸浮磁頭滑塊19剛好定位在磁性記錄盤13上的一個(gè)目標(biāo)記錄道上方。在這種情況中，例如聲圈電機(jī)(CVM)這樣的電磁傳動器21被用于實(shí)現(xiàn)支架16的擺動。眾所周知，在兩個(gè)或多個(gè)磁性記錄盤13被包含在主殼體12的內(nèi)部空間中的情況下，一對彈性磁頭懸臂18被安裝在相鄰的磁性記錄盤13之間的單個(gè)公共擺臂17上。
圖2示出懸浮磁頭滑塊19的一個(gè)具體例子。這種懸浮磁頭滑塊19包括由扁平的平行六面體形狀的由Al2O3-TiC所制成的滑塊體22，以及被形成覆蓋在滑塊體22的尾部或流出端上的磁頭保護(hù)層24。磁頭保護(hù)層24可以由Al2O3所構(gòu)成。讀/寫電磁傳動器23被嵌入在磁頭保護(hù)層24中。介質(zhì)相對表面或底表面25被連續(xù)形成在滑塊體22和磁頭保護(hù)層24上，以保持一定的距離面對磁性記錄盤13的表面。底表面25被設(shè)計(jì)為接收沿著旋轉(zhuǎn)的磁性記錄盤13的表面產(chǎn)生的氣流26。
一對導(dǎo)軌27被形成為在底表面25上從前部或上游端向著尾部或下游端延伸。各個(gè)導(dǎo)軌27被設(shè)計(jì)為在其上表面上確定一個(gè)空氣支承表面(ABS)28。具體來說，氣流26在各個(gè)空氣支承表面28上產(chǎn)生上述升力。嵌入在磁頭保護(hù)層24中的讀/寫電磁傳動器23被暴露于空氣支承表面28處，如下文具體描述。在這種情況中，鉆石態(tài)碳(DLC)的保護(hù)層可以形成在空氣支承表面28上，從而覆蓋在讀/寫電磁傳動器23的暴露端上。懸浮磁頭滑塊19可以采用除了上文所述形狀之外的任何形狀。
圖3示出在底表面25處暴露的讀/寫電磁傳動器23的放大示圖。讀/寫電磁傳動器23包括感應(yīng)寫入元件或者薄膜磁頭31，以及電流垂直于平面(CPP)結(jié)構(gòu)的電磁變換器元件或者CPP結(jié)構(gòu)的磁阻(MR)讀取元件32。該薄膜磁頭31被設(shè)計(jì)為通過利用例如在未示出的導(dǎo)電螺旋線圈圖案中感應(yīng)的磁場，把磁性數(shù)據(jù)寫入到磁性記錄盤13中。該CPP結(jié)構(gòu)的MR讀取元件32被設(shè)計(jì)為通過利用響應(yīng)由磁性記錄盤13作用的磁場中的磁極的反向而導(dǎo)致電阻的變化而檢測磁性位數(shù)據(jù)。薄膜磁頭31和CPP結(jié)構(gòu)的MR讀取頭32被插入在作為上半層或覆蓋膜的Al2O3(氧化鋁)層33和作為下半層或底膜的Al2O3(氧化鋁)34之間。覆蓋膜和底膜組合形成上述磁頭保護(hù)層24。
薄膜磁頭31包括在空氣支承表面28的前端暴露的上磁極層35，以及類似地在空氣支承表面28的前端暴露的下磁極層36。上和下磁極層35、36可以由FeN、NiFe等等所制成。上和下磁極層35、36的組合建立薄膜磁頭31的磁芯。
非磁性間隔層37被插入在上和下磁極層35、36之間。非磁性間隔層37可以由Al2O3(氧化鋁)所制成。當(dāng)在導(dǎo)電螺旋線圈圖案中感應(yīng)磁場時(shí)，磁通量在上和下磁極層35、36之間交換。非磁性間隔層37使得被交換的磁通量從底表面25泄漏。因此，泄漏的磁通量形成用于記錄的磁場，即寫入間隔磁場。
CPP結(jié)構(gòu)的MR讀取元件32包括覆蓋在作為底部絕緣層的氧化鋁層34的上表面上的下電極38。下電極38被設(shè)計(jì)為包括導(dǎo)電引線層38a和立在引線層38a的上表面上的導(dǎo)電端子38b。下電極38不但具有導(dǎo)電體的特性，而且還具有軟磁性。如果下電極38由例如NiFe這樣的軟磁性導(dǎo)電體所制成，則下電極38還能夠作為用于CPP結(jié)構(gòu)的MR讀取元件32的下屏蔽層。
下電極38被嵌入于覆蓋在氧化鋁層34的表面上的絕緣層41中。絕緣層41被設(shè)計(jì)為在引線層38a的表面上延伸，從而接觸端子38b的側(cè)表面。在此，平坦表面42可以連續(xù)地形成在端子38b的頂部表面和絕緣層41的上表面上。
電磁變換膜或者磁阻(MR)分層塊43位于該平坦表面42上，從而沿著該空氣承載表面28而延伸。MR分層塊43被設(shè)計(jì)為至少在端子38b的上表面上延伸。按照這種方式，可以在MR分層塊43與下電極38之間建立電連接。下面將詳細(xì)描述MR分層塊43的結(jié)構(gòu)。
類似地，一對偏置的硬磁性條紋層，即磁疇控制條紋層(domaincontrol stripe layer)44，被置于平坦表面42上，從而沿著空氣支承表面28而延伸。磁疇控制條紋層44被設(shè)計(jì)為沿著平坦表面42上的空氣承載表面28插入該MR分層塊43。磁疇控制條紋層44可以由例如Copt、CoCrPt等等這樣的金屬材料所制成。沿著該MR分層塊43在預(yù)定的橫向方向上在磁疇控制條紋層44中建立特定的磁化。按照這種方式在磁疇控制條紋層44中的磁化用于在磁疇控制條紋層44之間形成偏置磁場。該偏置磁場被設(shè)計(jì)為在自由鐵磁層，例如在MR分層塊43中，實(shí)現(xiàn)單一磁疇特性。
該平坦表面42被覆蓋有覆蓋絕緣層45。該覆蓋絕緣層45被設(shè)計(jì)為保持MR分層塊43和磁疇控制條紋層44壓在絕緣層41上。上電極46能夠在覆蓋絕緣層45的上表面上擴(kuò)展。按照與下電極38相同的方式，上電極46不但具有電導(dǎo)體的特性，而且還具有軟磁性。如果上電極46由例如NiFe這樣的軟磁性電導(dǎo)體所制成，則還允許上電極46作為用于CPP結(jié)構(gòu)MR讀取元件32的上屏蔽層。在上述下屏蔽層或下電極38與上電極46之間所確定的空間決定了沿著磁性記錄盤13的記錄道的磁性記錄或數(shù)據(jù)的線性分辨率。上電極46包括穿過覆蓋絕緣層45以與MR分層塊43的上表面相接觸的端塊47。按照這種方式，可以在MR分層塊43與上電極46之間建立電連接。
讀出電流可以通過在CPP結(jié)構(gòu)MR讀取元件32中的上和下電極46、38被提供到MR分層塊43。從圖3顯然可以看出，端子38b以及端塊47用于減小在MR分層塊43中提供的讀出電流的路徑。另外，這種CPP結(jié)構(gòu)的MR讀取元件32能夠在遠(yuǎn)離該接頭的MR分層塊43的中央?yún)^(qū)域建立到達(dá)磁疇控制條紋層44的讀出電流路徑。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的MR分層塊43。該MR分層塊是包括位于被固定鐵磁層上方的自由鐵磁層的所謂單一旋閥膜。具體來說，MR分層塊43包括在平坦表面42上擴(kuò)展的底層51。底層51包括在平坦表面42上延伸的鈦層51a，以及在鈦層51a的上表面上延伸的NiFe層51b。固定層52被疊加在底層51的上表面上。固定層52可以由例如PdPtMn這樣的反鐵磁材料所形成。
被固定鐵磁層53疊加在固定層52的上表面上。多層鐵磁結(jié)構(gòu)膜可以被用作為被固定鐵磁層53。多層鐵磁結(jié)構(gòu)膜的被固定鐵磁層53可以包括上和下鐵磁層53a、53b以及置于上和下鐵磁層53a、53b之間的Ru耦合層54。上和下鐵磁層53a、53b可以由例如CoFe層、CoFeB層等等這樣的軟磁性合金層所形成。被固定鐵磁層53可以采用任何其它結(jié)構(gòu)。
非磁性中間層55被疊加在被固定鐵磁層53的上表面上。非磁性中間層55例如可以由上和下導(dǎo)電層55a、55b所形成。邊界BR被確定在導(dǎo)電層55a、55b之間。磁性金屬材料56和絕緣材料57可以沿著邊界BR設(shè)置。磁性金屬材料56和絕緣材料57可以在邊界BR上相互混合。各個(gè)導(dǎo)電層55a、55b例如可以由銅層所形成。磁性金屬材料56可以由例如CoFe、CoFeB等等這樣的軟磁性合金所形成。絕緣材料57可以由基于磁性金屬材料56而產(chǎn)生的金屬氧化物或金屬氮化物所形成。否則，非磁性中間層55可以包括3個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層。在這種情況中，磁性金屬材料56和絕緣材料57可以存在于在相鄰的導(dǎo)電層之間確定的任何邊界BR上。
自由鐵磁層58被疊加在非磁性中間層55的上表面上。非磁性中間層55被如此置于自由鐵磁層58和被固定鐵磁層53之間。自由鐵磁層58可以由例如CoFe層、CoFeB層等等這樣的軟磁性合金層所形成。頂層59被疊加在自由鐵磁層58的上表面上。頂層59可以包括在自由鐵磁層58的表面上延伸的銅層59a，以及在銅層59a的上表面上延伸的Ru層59b。
當(dāng)MR讀取元件32與磁性記錄盤13的表面相對，用于讀取磁性信息數(shù)據(jù)時(shí)，自由鐵磁層58的磁化使得MR分層塊43或旋閥膜響應(yīng)從磁性記錄盤13施加的磁極的反向而旋轉(zhuǎn)。在自由鐵磁層58中的磁化的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)MR分層塊43(即旋閥膜)的電阻中的變化。當(dāng)讀取電流被通過上和下電極46、38施加到MR分層塊43時(shí)，響應(yīng)磁阻的變化在從上和下電極46、38輸出的讀出電流中出現(xiàn)例如電壓這樣的任何參數(shù)的變化。在參數(shù)中的變化可以被用于檢測在磁性記錄盤13記錄的磁性位數(shù)據(jù)。
MR分層塊43能夠使讀出電流在與邊界BR垂直的方向上流動。如圖5中所示，讀出電流被疊加以通過在絕緣材料57的間隔上的磁性金屬材料56。MR分層塊43響應(yīng)在自由鐵磁層58中的磁化的旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)磁阻的較大變化。較小數(shù)值的讀出電流也被用于獲得在例如電壓這樣的電參數(shù)中的較大變化。上述類型的MR讀取元件32大大地有助于進(jìn)一步提高記錄密度并且減小電能消耗。另外，MR讀取元件32的電阻可以被減小到大約為隧道結(jié)磁阻(TMR)元件的電阻的十分之一。這樣可以避免在MR讀取元件32中產(chǎn)生所謂的熱噪聲。另外，MR讀取元件32使得磁疇控制條紋層44容易地在MR分層塊43內(nèi)的自由鐵磁層58中建立單磁疇特性。
下面，將描述制作MR讀取元件32的方法。首先制備Al2O3-TiC的晶片61。晶片61的整個(gè)表面被氧化鋁層34所覆蓋。從圖6顯然可以看出，下電極38被形成在氧化鋁層34的表面上。然后，下電極38被嵌入于在氧化鋁層34的表面上擴(kuò)展的絕緣層41中。當(dāng)絕緣層41受到平整拋光處理時(shí)，下電極38的端子38b在平坦表面42上暴露。按照這種方式，形成下部結(jié)構(gòu)層，以至少部分地暴露該下電極38。
然后，MR分層塊43被形成在下部結(jié)構(gòu)層或平坦表面42的上表面上。分層材料膜首先形成在整個(gè)平坦表面42上。該分層材料膜包括與MR分層塊43相同的層面。下面將詳細(xì)描述形成分層材料膜的方法。從分層材料膜挖出MR分層塊43?？梢圆捎霉饪谭椒▉硇纬蒑R分層塊43。MR分層塊43可以按照這種方式被形成為直立在底層或者平坦表面42的上表面上。
然后，磁疇控制條紋層44被形成在平坦表面42上，如圖7中所示。例如可以采用濺射方法來形成磁疇控制條紋層44。在濺射處理中，首先在平坦表面42上形成未示出的光刻膠膜。該光刻膠膜用于確定與磁疇控制條紋層44的形狀相對應(yīng)與MR分層塊43相鄰的空間或凹孔。磁疇控制條紋層44形成在該凹孔中。磁疇控制條紋層44要求插入在至少M(fèi)R分層塊43的自由鐵磁層58中。磁疇控制條紋層44的上表面最好保持在頂層59的下方。
如圖8中所示，覆蓋絕緣層45形成在整個(gè)平坦表面42上方。MR分層塊43和磁疇控制條紋層44被覆蓋絕緣層45所覆蓋。可以采用濺射處理來形成覆蓋絕緣層45。例如SiO2、Al2O3等等這樣的絕緣材料可以用于該濺射處理中。然后，光刻膠膜62被形成在覆蓋絕緣層45上，如圖9中所示。對應(yīng)于端塊47的輪廓的凹孔63被形成在光刻膠62中。
被光刻膠62覆蓋的覆蓋絕緣層45然后受到反應(yīng)離子蝕刻(RIE)處理?？梢栽赗IE處理中采用SF6的蝕刻氣體。如圖10中所示，該蝕刻氣體用于除去在凹孔63內(nèi)的覆蓋絕緣層45。按照這種方式，在覆蓋絕緣層45中形成所謂的接觸孔64。在已經(jīng)形成接觸孔64之后，可以除去光刻膠膜62。
如圖11中所示，然后形成上電極46，以在覆蓋絕緣層45上延伸。上電極46能夠進(jìn)入該接觸孔64。按照這種方式，上電極46與MR分層塊43(即頂層59)的上表面相接觸。如此形成MR讀取元件32。眾所周知，薄膜磁頭31形成在所形成的MR讀取元件32之上。
如圖12中所示，在形成上述分層材料膜中，平坦表面42被設(shè)計(jì)為例如按次序接收對應(yīng)于底層51的鈦層65和NiFe層66、對應(yīng)于固定層52的PdPtMn層67、對應(yīng)于被固定鐵磁層53的CoFeB層68以及Ru層69和CoFeB層71、以及對應(yīng)于下導(dǎo)電層55b的銅層72?？梢栽谡婵涨粌?nèi)進(jìn)行濺射以形成分層材料膜。
在已經(jīng)形成銅層72之后，在真空腔內(nèi)在銅層72的表面上形成磁性金屬材料。例如，可以采用濺射方法。例如CoFe、CoFeB等等這樣的軟磁性合金的粉末壓塊被用作為濺射的目標(biāo)。材料的淀積或?yàn)R射速度被設(shè)置為大約0.1nm。不需要在銅層72的表面上形成連續(xù)的“完整”薄膜。磁性金屬原子按照預(yù)定密度以分散的方式存在。磁性金屬材料56被如此形成以在銅層72的表面上分散。
從圖12顯然可以看出，然后把氧氣導(dǎo)入到腔體。在銅層72的表面上進(jìn)行磁性金屬材料56的氧化反應(yīng)。該氧化反應(yīng)能夠由磁性金屬材料56產(chǎn)生金屬氧化物，即絕緣材料57。按照這種方式，絕緣材料57被形成為分散在銅層72的表面上。除非磁性金屬材料56被完全氧化，否則磁性金屬材料56和絕緣材料57的混合物保持在銅層72的表面上。可以采用等離子體氧化或自由基氧化來取代上述的自然氧化方法。另外，該氧化可以用氮化來代替。氮化可以通過把氮?dú)鈱?dǎo)入到該腔體而實(shí)現(xiàn)。氮化可以由磁性金屬材料56產(chǎn)生金屬氮化物，即絕緣材料57。
如圖13中所示，另一個(gè)銅層73被形成為在銅層72的表面上延伸。該銅層73被設(shè)計(jì)為與上導(dǎo)電層55a相對應(yīng)?？梢栽谡婵涨粌?nèi)進(jìn)行濺射。磁性金屬材料56和絕緣材料57被插入在銅層72、73之間。邊界BR可以形成在銅層72、73之間。然后形成對應(yīng)于自由鐵磁層58的CoFeB層74以及對應(yīng)于頂層59的銅層75和Ru層76，以在銅層73上延伸。
本發(fā)明人已經(jīng)研究MR分層塊的磁阻特性。本發(fā)明人已經(jīng)在由Al2O3-TiC所制成的晶片上制備上述MR分層塊43的具體樣本以供研究。該晶片被設(shè)計(jì)為按次序接收5.0nm厚的Ta層、2.0nm厚的NiFe層、13.0nm厚的PdPtMn層、3.0nm厚的CoFeB層、0.75nm厚的Ru層、4.0nm厚的CoFeB層、2.0nm厚的第一Cu層、CoFeB層、2.0nm厚的第二Cu層、3.0nm厚的CoFeB層、4.0nm厚的Cu層、5.0nm厚的Ru層。在淀積第二Cu層之前，在第一Cu層上的CoFeB層被暴露于腔體中的氧氣下。在3.5[Pa]的壓力下把氧氣導(dǎo)入到該腔體。導(dǎo)入的時(shí)間被設(shè)置為300秒。CoFeB層的氧化在第一和第二Cu層之間提供上述絕緣材料57。
然后，MR分層塊43受到熱處理。MR分層塊43被置于2[T]的磁場內(nèi)在280℃的溫度下經(jīng)過3小時(shí)。按照這種方式調(diào)整PdPtMn層的晶格結(jié)構(gòu)。本發(fā)明人已經(jīng)制備了6種MR分層塊43。要被暴露于氧氣下的CoFeB層的厚度在各個(gè)MR分層塊43中被設(shè)置為不同的數(shù)值。
類似地，本發(fā)明人已經(jīng)制備MR分層塊的對比例。該對比例被設(shè)計(jì)為在第一和第二Cu層之間不包括CoFeB層。具體來說，沒有金屬氧化物存在于非磁性中間層中。
對于各個(gè)MR分層塊43測量電阻率的大小RA和變化率ΔRA。根據(jù)所測量的大小RA和變化率ΔRA計(jì)算磁阻的比值(MR比)。根據(jù)所測量的大小RA計(jì)算電流值Is。該MR分層塊43被形成為0.1[微米]*0.1[微米]見方。電能消耗被設(shè)置為常量(＝550μW)。根據(jù)所計(jì)算的電流值Is和電阻率的變化率ΔRA計(jì)算電壓的變化率ΔV。如圖14和15中所示，在對比例的MR分層塊中獲得0.085mΩμm2的大小以及0.85mΩμm2的變化率ΔRA。MR比為1.0％。在范圍為0.69nm和1.04nm之間的暴露于氧氣下的CoFeB層的厚度上，與該對比例相比，該MR分層塊43的實(shí)施例表現(xiàn)出優(yōu)良的電阻率RA及其變化率ΔRA。與此同時(shí)，與對比例相比，該MR分層塊43的實(shí)施例表現(xiàn)出優(yōu)良的MR比和電壓的變化率ΔV。按照這種方式，可以驗(yàn)證磁性金屬材料56和絕緣材料57的作用。
本發(fā)明人在研究中已經(jīng)獲得MR分層塊43的磁阻特性。本發(fā)明人按照上文所述的相同方式在晶片上制備上述MR分層塊43的另一個(gè)具體樣本。在此，本發(fā)明人使用CoFe作為要暴露于氧氣下的磁性金屬材料56，取代上述CoFeB層。CoFe合金的厚度被設(shè)置為1.0nm。按照與上文所述相同的方式，在用于在淀積第二Cu層之前進(jìn)行濺射處理的腔體內(nèi)，該CoFe合金層受到氧氣的作用。在3.5[Pa]的壓力下把氧氣導(dǎo)入到該腔體。導(dǎo)入的時(shí)間被設(shè)置為300秒。CoFe層的氧化在第一和第二Cu層之間提供上述絕緣材料57。本發(fā)明人已經(jīng)制備了3種MR分層塊43。包含在CoFe合金中的Fe成份含量在各個(gè)MR分層塊43中被設(shè)置為不同的數(shù)值。
對于各個(gè)MR分層塊43測量電阻率的大小RA和變化率ΔRA。根據(jù)所測量的大小RA和變化率ΔRA計(jì)算MR比。按照與上文所述相同的方式，根據(jù)所計(jì)算的電流值Is和電阻率的變化率ΔRA計(jì)算電壓的變化率ΔV。如圖16和17中所示，與當(dāng)在暴露于氧氣下的CoFe合金層內(nèi)的Fe成份的含量達(dá)到50％時(shí)的對比例相比獲得較大的電阻率RA和變化率ΔRA。并且，與該對比例相比，在該MR分層塊43的實(shí)施例中可以獲得優(yōu)良的MR比和電壓的變化率ΔV。
圖18示出MR分層塊43a的第二實(shí)施例。MR分層塊43a是位于被固定鐵磁層下方的包含自由鐵磁層的所謂單一旋閥膜。具體來說，MR分層塊43a包括在平坦表面42上延伸的底層101。底層101例如可以包括鈦層。自由鐵磁層102被疊加在底層101的上表面上。自由鐵磁層102可以由例如CoFe層、CoFeB層等等這樣的軟磁性合金層所形成。上述非磁性中間層55被疊加在自由鐵磁層102的上表面上。
被固定鐵磁層103被疊加在非磁層中間層55的上表面上。按照與上文所述相同的方式，多層鐵磁結(jié)構(gòu)膜可以被用作為被固定鐵磁層103。非磁性中間層55如此插入在被固定鐵磁層103和自由鐵磁層102之間。固定層104以及頂層105被順序疊加在被固定層103的上表面上。固定層104可以由例如PdPtMn這樣的反鐵磁材料所制成。頂層105可以由Cu層、Ru層等等所形成。
圖19示出MR分層塊43b的第三實(shí)施例。MR分層塊43b是所謂的雙旋閥膜。具體來說，按照與上文所述相同的方式，MR分層塊43a包括按次序疊加在平坦表面42上的底層51、固定層52、被固定鐵磁層53、非磁性中間層55和自由鐵磁層58。非磁性中間層55再次疊加在自由鐵磁層58的上表面上。
被固定鐵磁層111被疊加在非磁性中間層55的上表面上。例如，多層鐵磁結(jié)構(gòu)膜可以被用作為該被固定鐵磁層111。具體來說，該被固定鐵磁層111可以包括上和下鐵磁層111a、111b以及插入在上和下鐵磁層111a和111b之間的Ru耦合層112。上和下鐵磁層111a、111b可以由例如CoFe層、CoFeB層等等這樣的軟磁性合金層所形成。被固定鐵磁層53可以采用任何其它結(jié)構(gòu)。非磁性中間層55如此插入在被固定鐵磁性111和自由鐵磁性58之間。
固定層113以及頂層114被順序疊加在被固定層111的上表面上。固定層113可以由例如PdPtMn這樣的反鐵磁材料所制成。頂層114可以包括Cu層114a和Ru層114b。
本發(fā)明人已經(jīng)研究MR分層塊43b的磁阻特性。本發(fā)明人已經(jīng)在由Al2O3-TiC所制成的晶片上制備上述MR分層塊43b的具體樣本以供研究。該晶片被設(shè)計(jì)為按次序接收5.0nm厚的Ta層、2.0nm厚的NiFe層、13.0nm厚的PdPtMn層、3.0nm厚的CoFeB層、0.75nm厚的Ru層、4.0nm厚的CoFeB層、2.0nm厚的第一Cu層、CoFeB層、2.0nm厚的第二Cu層、3.0nm厚的CoFeB層、3.0nm厚的CoFeB層、2.0nm厚的第三Cu層、4.0nm厚的CoFeB層、2.0nm厚的第四Cu層、4.0nm厚的CoFeB層、0.75nm厚的Ru層、5.0nm厚的CoFeB層、13.0nm厚的PdPtMn層、4.0nm厚的Cu層和5.0nm厚的Ru層。在淀積第二和第四Cu層之前，在第一和第三Cu層上的CoFeB層被暴露于腔體中的氧氣下。在3.5[Pa]的壓力下把氧氣導(dǎo)入到該腔體。導(dǎo)入的時(shí)間被分別設(shè)置為100秒和300秒。CoFeB層的氧化在第一和第二Cu層以及第三和第四Cu層之間提供上述絕緣材料57。然后按照與上文所述相同的方式調(diào)節(jié)PdPtMn層。本發(fā)明人已經(jīng)準(zhǔn)備大量的MR分層塊43b的具體實(shí)例。要暴露于氧氣下的CoFeB層的厚度在各個(gè)MR分層塊43b中被設(shè)置為不同的數(shù)值。
類似地，本發(fā)明人準(zhǔn)備一個(gè)MR分層塊的對比例。該對比例被設(shè)計(jì)為在第一和第二Cu層以及第三和第四Cu層之間不包括CoFeB層。沒有金屬氧化物存在于非磁性中間層中。
對于各個(gè)MR分層塊43b測量電阻率的大小RA和變化率ΔRA。根據(jù)所測量的大小RA和變化率ΔRA計(jì)算MR比。按照與上文所述相同的方式，根據(jù)所計(jì)算的電流值Is和電阻率的變化率ΔRA計(jì)算電壓的變化率ΔV。如圖20和21中所示，在對比例的MR分層塊中獲得0.12mΩμm2的大小以及1.75mΩμm2的變化率ΔRA。MR比為1.4％。在范圍為0.75nm和1.15nm之間的暴露于氧氣下的CoFeB層的厚度上，與該對比例相比，該MR分層塊43b的實(shí)施例表現(xiàn)出優(yōu)良的電阻率RA及其變化率ΔRA。與此同時(shí)，與對比例相比，該MR分層塊43b的實(shí)施例表現(xiàn)出優(yōu)良的MR比和電壓的變化率ΔV。按照這種方式，可以驗(yàn)證磁性金屬材料56和絕緣材料57的作用。
應(yīng)當(dāng)指出，上述MR分層塊43、43a、43b的非磁性中間層55可以在邊界BR處與被固定鐵磁層53、103、111以及自由鐵磁層58、102相接觸。換句話說，上述磁性金屬材料56和絕緣層57可以置于被固定鐵磁層53、103、111和非磁性中間層55之間，以及在自由鐵磁層58、102和非磁性中間層55之間。
權(quán)利要求
1.一種電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中包括自由磁性層；被固定磁性層；插入在自由和被固定磁性層之間的非磁性中間層，所述非磁性中間層包括多個(gè)導(dǎo)電層；以及存在于至少一對導(dǎo)電層之間的邊界上的絕緣材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述絕緣材料是金屬氧化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中金屬材料與該金屬氧化物一同存在于該邊界上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述金屬氧化物包括磁性金屬原子。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中磁性金屬材料與該金屬氧化物一同存在于該邊界上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述磁性金屬原子為Fe、Co和Ni中的任何一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述金屬氧化物為CoFe合金的氧化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中CoFe合金與該氧化物一同存在于該邊界上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述絕緣材料為金屬氮化物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述金屬氮化物包括磁性金屬原子。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述磁性金屬原子為Fe、Co和Ni中的任何一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述金屬氮化物為CoFe合金的氮化物。
13.一種電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中包括自由磁性層；被固定磁性層；插入在自由和被固定磁性層之間的非磁性中間層；以及存在于非磁性中間層上所確定的一個(gè)邊界上的絕緣材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述絕緣材料是金屬氧化物。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中金屬材料與該金屬氧化物一同存在于該邊界上。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述金屬氧化物包括磁性金屬原子。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中磁性金屬材料與該金屬氧化物一同存在于該邊界上。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述磁性金屬原子為Fe、Co和Ni中的任何一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述金屬氧化物為CoFe合金的氧化物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中CoFe合金與該氧化物一同存在于該邊界上。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述絕緣材料為金屬氮化物。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述金屬氮化物包括磁性金屬原子。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述磁性金屬原子為Fe、Co和Ni中的任何一種。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述金屬氮化物為CoFe合金的氮化物。
25.一種電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中包括自由磁性層；被固定磁性層；插入在自由和被固定磁性層之間的導(dǎo)電非磁性中間層；以及存在于導(dǎo)電非磁性中間層上所確定的一個(gè)邊界上的磁性金屬。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中絕緣材料與該磁性金屬一同存在于該邊界上。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述磁性金屬包括Fe、Co和Ni中的任何一種。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的電流垂直于平面結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其中所述磁性金屬為CoFe合金。
全文摘要
一種電流垂直于平面(CPP)結(jié)構(gòu)的磁阻元件包括旋閥膜。在包含于旋閥膜的非磁性中間層從的導(dǎo)電層之間確定一個(gè)邊界。磁性金屬材料和絕緣材料存在于該邊界上。絕緣材料減小讀出電流路徑的截面面積。相應(yīng)于在自由磁性層中的磁化的旋轉(zhuǎn)，該CPP結(jié)構(gòu)的磁阻元件實(shí)現(xiàn)在電阻中較大變化。采用較小的讀出電流來獲得電壓的較大變化。相應(yīng)地，CPP結(jié)構(gòu)的磁阻元件大大地有助于記錄密度的提高以及減小電能消耗。
文檔編號H01L43/08GK1431651SQ0310154
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月10日
發(fā)明者瀨山喜彥, 長坂惠一, 大島弘敬, 清水豐, 田中厚志 申請人:富士通株式會社