[发明专利]穿隧磁阻元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及穿隧磁阻元件及其制造方法，更具体地涉及穿隧磁阻元件的膜结构。

背景技术

为了改善硬盘驱动器(HDD)以使其具有更高容量和更小的尺寸，需要高灵敏度、高输出的薄膜磁头。甚至巨磁阻(GMR)元件的性能特性也必须进一步加以改善。为此，正在继续开发穿隧磁阻(TMR)元件，期望穿隧磁阻元件提供的电阻变化率是GMR元件的电阻变化率的两倍以上。

传统穿隧磁阻元件的薄膜结构在图1中示出。穿隧磁阻元件具有底层1、反铁磁层2、利用来自反铁磁层2的交换耦合力钉扎住的第一钉扎磁层3、非磁性层4、用于与第一钉扎层3反铁磁交换耦合的第二钉扎磁层5、隧道势垒层6、自由磁层7以及保护层8。

通常，如图1所示，由于能够容易地形成更薄的反铁磁层，所以经由非磁性中间层4在第一钉扎磁层3与第二钉扎磁层5之间采用了反铁磁交换耦合。当利用磁阻元件作为磁头时，使用光刻胶作为掩模，利用离子研磨工艺来形成元件。因此，如图2所示，元件的截面变成包括锥形部分9的梯形形状。

图2示出从垂直于与介质相对的表面的方向观察的元件的截面。在此，必须缩窄磁头的芯宽度以实现更高的密度。因此，磁头的芯的宽度依据限定了芯宽度的自由磁层的宽度是在梯形形状的上边附近的区域处还是在梯形形状的下边附近的区域处而不同。通常，反铁磁层2层叠于第一钉扎磁层3的下侧，使得自由磁层7位于上边附近的区域处，以便实现图2所示的窄芯宽度。

在此，通过将隧道势垒层形成得更薄来降低元件电阻，使得穿隧磁阻元件能够传递更大电流并且获得更大输出电压。更低的元件电阻也能防止出现静电击穿。

然而，隧道势垒层的厚度是1nm或小于1nm。当形成更薄的隧道势垒层时，不能确保平滑度，并且在部分隧道势垒层中会产生针孔。当感生电流流过针孔时，不再能获得高输出。因此，必须形成更薄的隧道势垒层以获得更高的输出，但隧道势垒层的平滑度对实现这种更高输出和更薄隧道势垒层是至关重要的。

为了解决这种情况，在形成隧道势垒层之前通过反溅射(inversesputtering)使第二钉扎磁层5变平滑，并且通过将隧道势垒层层叠在这种平滑磁层上来实现隧道势垒层本身的平滑度。就是说，通过使得隧道势垒层的下层的表面变得平滑，即使在隧道势垒层上也能获得异常平滑的表面。

通常使用Al₂O₃层作为穿隧磁阻元件的隧道势垒层，但也可以使用MgO层作为势垒层以获得更高磁阻特性。Al₂O₃层是非晶层，而MgO层是晶层。层的晶体结构对于获得优异穿隧磁阻效应非常重要。为了利用MgO层获得优异穿隧磁阻效应，虽然使用了MgO层，但用作MgO层的下层的第二钉扎磁层必须是非晶层。

由于需要高记录密度，所以要求磁头中的磁屏蔽之间的间隙是窄隙。因为穿隧磁阻元件被保持在磁屏蔽之间，所以即使在穿隧磁阻元件中，减少厚反铁磁层的厚度以形成窄隙也是很重要的。作为通常的反铁磁层，使用显示出大交换耦合力和高截止温度(blocking temperature)的Pt-Mn合金。然而，用作反铁磁层的层相对较厚，例如10到20nm。另一方面，当该层由Ir-Mn合金形成时，即使其厚度约5到10nm时也可使用。因此，当在此考虑窄隙时，Ir-Mn合金作为反铁磁层具有更高的潜力。然而，已知Ir-Mn合金的表面比Pt-Mn合金的表面粗糙。

图6示出当对第二钉扎磁层进行反溅射时，TMR比(％)与RA(Ωμm²)之间的关系。用于实验的穿隧磁阻膜的膜结构是由5nm厚的Ta底层、2nm厚的Ru底层、10nm厚的IrMn反铁磁层、2.5nm厚的CoFe第一钉扎层、0.8nm厚的Ru非磁性层、3nm厚的CoFeB第二钉扎层、1nm厚的MgO隧道势垒层、3nm厚的CoFeB自由层、5nm厚的Ta保护层以及10nm厚的Ru保护层构成的。反溅射是在10^-2Pa的Ar气大气压下的真空室中进行的。当如上所述采用MgO层作为隧道势垒层时，会妨害MgO的配向。如果如在现有技术的情况下通过反溅射等对第二钉扎磁层进行平滑，则妨害了MgO的配向而无法获得优异磁阻特性。然而，当减少隧道势垒层的厚度并且由于采用了反铁磁层(或者尤其是利用Ir-Mn合金作为反铁磁层)所以膜的表面粗糙度相当大时，平滑处理是必要的。