專利名稱：磁阻元件和使用磁阻元件的磁器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電阻隨外界磁場變化的磁阻元件和使用磁阻元件的磁器件，例如檢測磁信號的檢測器，存儲磁信號的存儲裝置等。
現(xiàn)有技術(shù)作為磁阻元件，利用各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)的元件同利用依賴與非磁性層交替層疊的磁性層間的磁化相對角的電阻變化的巨磁阻(GMR)元件已實用化。同時對利用磁層間的隧道電流的磁化相對角的光晶石型磁阻(TMR)元件進(jìn)行了研究。這類元件在兩個磁性層之間具有夾著極薄的絕緣阻擋層的三層結(jié)構(gòu)。
因為TMR元件中的磁阻變化率依賴磁性材料的自旋極化率，所以磁性體的自旋極化率越大，獲得的磁阻的變化率就越大。在鐵、鈷等金屬磁性體中自旋極化率高達(dá)50％左右，這個極化率限制了元件的磁阻變化率。因此，人們期待用含遷移金屬氧化物的磁性體材料作為具有更大極化率的材料。例如具有LaMnO3等鈣鈦結(jié)構(gòu)的材料，特別是具有雙極鈣鈦結(jié)構(gòu)的材料，即使在室溫條件下也顯示出高的自旋極化率。特開2000-174359號公報中公開了含具有雙極鈣鈦結(jié)構(gòu)的氧化物的磁阻元件。
然而鈣鈦結(jié)構(gòu)材料因為磁轉(zhuǎn)變溫度低而在高溫時動作困難。雙極鈣鈦結(jié)構(gòu)材料的磁轉(zhuǎn)移溫度稍高，但也在200℃左右，仍需要考慮動作時元件升溫的問題。而具有光晶石型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的氧化物的磁轉(zhuǎn)變溫度在400℃以上。在利用光晶石型磁性體的TMR元件的報道中采用了四氧化三鐵(Fe3O4)薄膜磁性層的三層疊層接合元件(X.W.Li等，應(yīng)用物理通信集73卷22號3282～2284頁，1998年發(fā)行)。然而，以往的利用光晶石型磁性體的TMR元件獲得的磁阻變化率比根據(jù)自旋極化率予想的還小，僅有百分之幾。雖然其詳細(xì)的機理還不清楚，但被認(rèn)為是因為以光晶石型磁性層的電子狀態(tài)為中心的各種特性沒有充分起作用，引起隨機的自旋進(jìn)動，而導(dǎo)致自旋極化率下降。
光晶石型磁性體的結(jié)晶結(jié)構(gòu)比合金系磁性材料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此通過適當(dāng)?shù)乜刂平Y(jié)晶學(xué)、電和磁的特性獲得優(yōu)質(zhì)的光晶石型磁性層談何容易。為了制成優(yōu)質(zhì)的光晶石型磁性層薄膜必需具備高精度的設(shè)備和高超的技術(shù)。而且制造很煩瑣，再現(xiàn)性也難于實現(xiàn)。從這種情況出發(fā)，從利用光晶石型磁體的元件中還不能得到足夠大的磁阻變化。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的利用光晶石型磁性體的磁阻元件。
發(fā)明概述本發(fā)明人為了達(dá)到上述目的銳意研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過在基底與光晶石型磁性體之間夾一層氮化鈦(TiN)層可以獲得比較大的磁阻效應(yīng)。即本發(fā)明的磁阻元件具有基底和在上述基底上形成的多層膜，上述多層膜從上述基底側(cè)開始包含第一磁層，形成在上述第一磁層上的非磁性層和形成在上述非磁性層上的第二磁性層，使用于檢測電阻的變化的電流沿垂直于上述多層膜的膜面的方向流動，所述電阻的變化是基于上述第一磁性層的磁化方向與上述第二磁性層的磁化方向的相對角度的變化而產(chǎn)生的；其特征在于上述第一磁性層具有光晶石型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，上述多層膜還包括夾于上述基底與上述第一磁性層之間的氮化鈦層。
按照本發(fā)明，雖然用具有光晶石型結(jié)構(gòu)的磁性體，也能比較容易地獲得良好的接合。這種良好接合是由居中間的氮化鈦層本身產(chǎn)生的，即使不使用高精度的裝置也能獲得稱得上好的元件。
如果利用本發(fā)明的元件，則可以提高各種磁器件例如磁傳感器，磁存儲裝置的性能。可以舉出磁阻效應(yīng)型的磁頭作為磁傳感器的一個例子。
附圖的簡要說明圖1是本發(fā)明的磁阻元件的一例的剖視圖；圖2是本發(fā)明的磁阻元件的另一例的剖視圖；圖3(a)～圖3(c)表示本發(fā)明的磁阻元件一例中的磁特性和磁阻特性的圖。
圖4是表示利用本發(fā)明的元件的磁頭的一例的圖。
圖5是利用本發(fā)明的元件的存儲裝置一例中的單元剖視圖。
本發(fā)明的實施方式下面參照


本發(fā)明的磁阻元件和利用這類元件的磁器件的優(yōu)選實施例。
在圖1所示的磁阻元件中，在基底1上依次層疊氮化鈦(TiN)層2，光晶石型磁性層(第一磁性層)3，非磁性層4，第二磁性層5。在第二磁性層5上還配置電極6(上部電極)。用于檢測外磁場的電流沿垂直于薄膜表面的方向流過兩磁性層和非磁性層。
在上述元件中，氮化鈦層處在形成光晶石型磁性層的整個區(qū)域上。如果這樣夾入氮化鈦層，可以確認(rèn)，與沒有該層時相比，磁阻變化可達(dá)二倍以上。其機理目前還不清楚。氮化鈦具有晶格常數(shù)為4.24的巖鹽型立方晶結(jié)構(gòu)。該晶格常數(shù)相當(dāng)于作為典型的光晶石型磁性體的四氧化三鐵的立方晶結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)8.4的大約一半。當(dāng)然，對改善晶格特性有貢獻(xiàn)的除結(jié)晶晶格的整合性以外還有其它重要因素。這是因為即使采用晶格接合良好的氧化鎂(晶格常數(shù)為4.20，巖鹽型立方結(jié)晶結(jié)構(gòu))，MgAl2O4(晶格常數(shù)為8.1，光晶石型結(jié)晶結(jié)構(gòu))等基底，也不能獲得象將氮化鈦層介入的元件那樣的高性能元件。除結(jié)晶晶格的整合性以外，還可能與例如在光晶石型磁性層與氮化鈦層的界面上的包含電的化學(xué)的準(zhǔn)位和穩(wěn)定性的綜合整合性有關(guān)。對氮化鈦層的膜厚沒有特別限定，但為了充分提高磁阻效應(yīng)最好是50nm以上。
雖然在用含鉻、鎳、錳的磁性體作為具有光晶石型結(jié)構(gòu)的第一磁性層3的情況下，也能獲得用氮化鈦層改善特性的效果，但在利用含鐵元素的氧化物鐵磁體的情況下，也可以獲得電特性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良的磁阻元件。可獲得最大磁阻變化的材料是二價鐵和三價鐵的復(fù)合價數(shù)氧化物四氧化三鐵(Fe3O4)。
業(yè)已確認(rèn)在利用銅這樣的良導(dǎo)體作為非磁性層4的情況(所謂CPP-GMR元件的情況)也可以得到如采用氮化鈦層改善性能一樣的效果。但是，在采用氧化物、氮化物等作為非磁性層的TMR元件中，將使磁阻效應(yīng)顯著增強。
雖然也可以利用玻璃這樣的非晶形材料或多晶陶瓷作為基底1，但單晶材料最適合。因為利用單晶基底時，氮化鈦的結(jié)晶方向容易大致朝一個方向，其結(jié)果也容易影響光晶石型磁性層的取向。
雖然也可以用硅、蘭寶石等作為單晶基底，但使用氧化鎂的單晶能得到特別優(yōu)良的效果，被認(rèn)為是因為可以同時在氧化鎂基底，氮化鈦層和光晶石型磁性體層的兩界面中實現(xiàn)結(jié)晶學(xué)和化學(xué)的高整合性。并且把基底的表面作為氧化鎂結(jié)晶面(110)時，與在由(111)面和(211)面等組成的氧化鎂表面上制作的情況下相比，可以得到良好的特性。另外在把基底表面作為(110)面的情況下，當(dāng)把引起電阻變化的外磁場沿氧化鎂的(110)方向形成45°角的方向加入時，可以得到大的磁阻變化率。如上所述，利用氮化鈦和整合性高的基底，并在該基底上直接形成氮化鈦層時，可以通過簡單結(jié)構(gòu)實現(xiàn)良好的接合。
上面示出的氮化鈦以外的各種材料是幾個例子。對于用在第二磁性層5，電極6以及其它層上的材料沒有特別限制，也可以使用過去一直使用的材料。對各層的成膜法也沒有特殊限定，對氮化鈦層的成膜法也不限定，例如可使用各種濺射法，化學(xué)氣相沉積法(CVD)等。上述元件，是本發(fā)明的元件的一個例子，上述元件也可以制成包含圖中沒有示出的層，例如包括象抗強磁性層那種抑制磁性層的磁化回轉(zhuǎn)的層的多層膜。在圖示的結(jié)構(gòu)中，通過把氮化鈦層也作為下部電極使用，在基底1與第一磁性層3之間只夾入氮化鈦層，當(dāng)然，只要能達(dá)到本發(fā)明的目的也可以采用夾入其它層的結(jié)構(gòu)。元件的形狀也不限于圖1中所例示。如圖2所示也可以光刻技術(shù)等微細(xì)加工在器件上形成臺階部7。這種情況如圖2所示，可以進(jìn)行加工，以使作為電極的氮化鈦層2殘留在基底1上。
在圖4中示出了磁阻效應(yīng)型磁頭作為使用上述元件的磁傳感器(sensor)的一個例子。在該磁頭中，待檢測的外磁場H通過由導(dǎo)磁率高的磁性膜構(gòu)成的磁軛8加到磁阻元件9中，這時，雖然外磁場可以加到整個元件上，但也可以加到磁化回轉(zhuǎn)相對容易的磁化層中。磁軛的材料可以用以前一直用的材料，例如可以用Fe-Si-Al，Co-Nb-Zr，F(xiàn)e-Ta-N合金等軟磁性膜，其形成方法也可以使用電鍍等公知的成膜方法。
在圖5中示出了利用上述元件構(gòu)成磁存儲器裝置的一例。在該例中，如圖2所示的磁阻元件的表面被絕緣層10覆蓋，在該層上還層疊產(chǎn)生信息記錄用磁場的導(dǎo)線11。在該單元中例如通過使電流在導(dǎo)線11中流過而產(chǎn)生磁場，使在初始狀態(tài)中磁化方向一致的磁性層3、5中之一磁化反轉(zhuǎn)。在圖5中例示的元件中，由于第二磁性層5比第一磁性層3容易磁化回轉(zhuǎn)，而顯示第二磁性層5的磁化反轉(zhuǎn)狀態(tài)。這樣，通過其中一個磁性層磁化反轉(zhuǎn)后進(jìn)行信息的記錄。在該元件中，通過檢測氮化鈦層2與輸出電極6之間的電阻變化讀出信息。另外，作為導(dǎo)體11的材料也沒有特別限定，可以采用Al、Au、Cu和Ag等低電阻導(dǎo)線。
在上面所述中只不過例示地說明器件構(gòu)成和動作，本發(fā)明的元件可適用各種結(jié)構(gòu)的磁器件。磁器件的動作例如也只列舉了上述說明的存儲器動作的一個例子。
實施例實施例1采用作為反光晶石型結(jié)晶構(gòu)造的鐵磁體的四氧化三鐵(Fe3O4)磁性薄膜制作與圖1同樣結(jié)構(gòu)的磁阻元件。用表面被無定形狀態(tài)氧化硅(熱氧化膜)覆蓋的硅基底作為基底。在該基底上通過在把鈦金屬作為靶的氬/氮混合物氣氛中濺射形成膜厚100nm的氮化鈦(TiN)膜。其中，設(shè)定TiN膜成膜時基底溫度為500℃。接著形成膜厚50nm的四氧化三鐵磁性薄膜層。并在使鋁的濺射膜附著2nm后氧化該膜，形成氧化鋁膜作為絕緣層。接著形成膜厚20nm的CoFe強磁性層，最后形成金電極作為輸出電極。
測定這樣獲得的元件的電阻(TiN與金電極之間的電阻)隨外磁場的變化關(guān)系，觀測到約4％的電阻變化。與此相對應(yīng)，在與上述同樣方法制作的沒有TiN層的元件中，電阻變化為1％以下。
另外，在與上述各層的層疊順序相反在作為第二磁性層形成的四氧化三鐵膜上形成TiN層的情況下，雖然得到了有效的特性提高的效果，但上述效果并不如與基底相鄰地形成TiN層的情況。
實施例2除用氧化鎂單晶基底作為基底外，其它均按實施例1那樣制作磁阻元件。把基底面設(shè)定為(100)面。當(dāng)在TiN層的成膜過程中把基底的溫度加熱到300℃以上時，可獲得TiN的<100>軸相對基底表面垂直取向的薄膜。另外，如果基底溫度為室溫～200℃左右，則變成具有多晶結(jié)構(gòu)的TiN層。這兩個TiN層呈金色，都是具有0.02mΩ·cm以下的電阻率的良導(dǎo)體。對這些元件的磁阻特性的評價表明，含多晶TiN層的元件的磁阻變化率為5％，與此相對，含<100>取向的TiN層的元件的磁阻變化率可達(dá)10％。
在用MnFe2O4、CoFe2O4等鐵磁性層作為光晶石型磁性層的情況下，可以制作出顯示8％左右的磁阻變化率的元件。另外若制作插入作為代替TiN層的良導(dǎo)體的白金(Pt)的取向膜的元件，磁阻變化率降到2％。
實施例3利用具有(100)、(110)或(111)面方位的表面的MgO作為基底制作具有與圖2同樣構(gòu)成的磁阻元件。首先把基底加熱到400℃形成厚度為300nm的TiN層，接著依次層疊厚度為50nm的Fe3O4磁性層、厚度為1nm的氧化鋁絕緣層、厚度為20nm的CoFe磁性層和厚度為100nm的銅電極層，結(jié)果確認(rèn)到以下情況在上述層疊工序中，TiN層與使用的基底表面相對應(yīng)，上述基底分別大致垂直于軸<100><110>或<111>取向，F(xiàn)e3O4磁性層也具有與TiN層同樣的取向性。利用光刻和離子蝕刻等超精細(xì)加工，加工出具有臺階的臺面式元件。把臺面的圖形制成邊長為10000nm的正方形。
對這樣制成的各元件，通過使TiN與銅電極之間流過電流檢測磁阻變化。在圖3(a)～(c)中示出了結(jié)果。雖然在用MgO(100)面的情況下可獲得磁阻變化率約12％，在用MgO(111)面情況下可獲得6％的磁阻變化率，但如利用MgO(110)面時，磁阻變化率超過20％。并且如沿MgO基底表面平行的<111>方向平行施加外磁場，可以使磁阻變化率達(dá)到最大。
(實施例4)在本實施例中測定了磁阻變化率隨著非磁性層種類的不同而異的情況。把MgO(110)面作為基底依次形成TiN層(300nm)，下部Fe3O4磁性層(10nm)、絕緣層(2nm)、上部Fe3O4磁性層(20nm)。其中括弧內(nèi)的數(shù)字是膜厚度。在TiN層成膜時，將基底加熱到400℃。另外層疊膜厚50nm的LaFeO3層作為用于固定上部Fe3O4磁性層的磁化的抗強磁性層，最后從上部Fe3O4磁性層厚度為100nm的金輸出電極。
分別用氧化鋁、氧化鉭、氧化鈦、氧化鎂、氧化鈰、鈦酸鍶、氮化鋁作為絕緣層。在MgO的<110>方向施加磁場，測定磁阻率變化，測定值在氧化鉭、氧化鎂、氮化鋁的情況中為10％以下，在氧化鈦，氧化鍶的情況中為15％左右，在氧化鋁的情況下為20％左右，在鈦酸鍶的情況下達(dá)到25％。雖然磁阻效應(yīng)對絕緣阻擋層的材料的依賴原因尚不確定，但推測是絕緣阻擋層的元素對磁性層的電子狀態(tài)的影響而致的。
實施例5利用按照實施例4制作的含鈦酸鍶絕緣層的元件制成與圖4的構(gòu)成相同的磁頭。以大致從MgO(110)基底的<110>方位傾斜30°的方向施加由磁軛引導(dǎo)的磁場的方式，在上述磁頭中配置磁軛以及元件，從而得到對零磁場附近的微弱磁場的良好靈敏度。其中，利用CoNbZr的無定形合金膜制作磁軛。由于附加上述那樣配置的磁軛，而可以使該磁頭對10(Oe)(約796A/m)的外磁場的靈敏度提高二倍以上。
實施例6制造具有圖5所示的單元的存儲裝置。在以作為基底的MgO的(110)面上，依次層疊TiN層(800nm)、(Fe，Co)3O4磁性層(20nm)、氧化鈦絕緣層(1nm)、CoFe磁性層(5nm)和銅電極層(100nm)(括弧內(nèi)的數(shù)值為膜厚度)。接著進(jìn)行微細(xì)加工，以使上述各層變成5000nm×2000nm尺寸的臺面圖形，用SiO2絕緣膜(300nm)覆蓋整個表面。在該絕緣膜上配設(shè)由Al構(gòu)成的信息記錄用導(dǎo)線而制成存儲單元。
利用該存儲單元進(jìn)行信息的記錄和再現(xiàn)。首先通過使脈動電流在信息記錄用導(dǎo)線上流過而產(chǎn)生100(Oe)(約7960A/m)的磁場，使兩磁性層方位一致。接著使脈沖電流沿相反方向流過而產(chǎn)生-50(Oe)(約-398A/m)的磁場，以僅使上部磁性層(CoFe磁性層)磁化反轉(zhuǎn)。在該狀態(tài)下，在TiN層與銅電極之間加電壓，觀測兩電極之間的電阻變化，可以測定出明顯的電阻變化。
如上所述，按照本發(fā)明可以提供利用高自旋極化率光晶石型磁性材料的磁阻效應(yīng)大的磁阻元件。該元件的制造也容易。本發(fā)明的技術(shù)方案能夠方便地批量生產(chǎn)具有優(yōu)良特性的磁傳感器和磁阻效應(yīng)型存儲裝置，在該技術(shù)領(lǐng)域具有極大的利用價值。
權(quán)利要求
1.一種磁阻元件，具有基底和在上述基底上形成的多層膜，上述多層膜從上述基底側(cè)開始包含第一磁層，形成在上述第一磁層上的非磁性層和形成在上述非磁性層上的第二磁性層，使用于檢測電阻的變化的電流沿垂直于上述多層膜的膜面的方向流動，所述電阻的變化是基于上述第一磁性層的磁化方向與上述第二磁性層的磁化方向的相對角度的變化而產(chǎn)生的；其特征在于上述第一磁性層具有光晶石型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，上述多層膜還包括夾于上述基底與上述第一磁性層之間的氮化鈦層。
2.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于非磁性層是電絕緣層。
3.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于第一磁性層是由含鐵元素的氧化物鐵磁性體組成。
4.如權(quán)利要求3所述的磁阻元件，其特征在于含鐵元素的氧化物鐵磁性體是四氧化三鐵(Fe3O4)。
5.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于氮化鈦層直接形成在基底上。
6.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于在氮化鈦層中，氮化鈦結(jié)晶的結(jié)晶方位實質(zhì)上沿一個方向。
7.如權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于基底是單晶體。
8.如權(quán)利要求7所述的磁阻元件，其特征在于基底是氧化鎂單晶體。
9.如權(quán)利要求8所述的磁阻元件，其特征在于基底的表面是氧化鎂結(jié)晶的(110)面。
10.如權(quán)利要求9所述的磁阻元件，其特征在于沿著與氧化鎂的<110>方位成45°以下的角度的方向施加引起電阻變化的外部磁場。
11.一種磁傳感器，其特征在于包含權(quán)利要求1所述的磁阻元件，利用上述元件檢測磁信號。
12.一種磁存儲器裝置，其特征在于包括權(quán)利要求1所述的磁阻元件，在上述元件上保存磁信號。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過在基底與光晶石型磁性體之間夾一層氮化鈦使磁阻效應(yīng)顯著提高的磁阻元件,本發(fā)明的磁阻元件具有基底和在上述基底上形成的多層膜,上述多層膜從上述基底側(cè)開始包含第一磁層,形成在上述第一磁層上的非磁性層和形成在上述非磁性層上的第二磁性層,使根據(jù)上述第一磁性層的磁化方向與上述第二磁性層的磁化方向的相對角度的變化的、用于檢測電阻變化的電流沿垂直于上述多層膜的膜面的方向流動;上述第一磁性層具有光晶石型結(jié)晶結(jié)構(gòu),上述多層膜還包括夾于上述基底與上述第一磁性層之間的氮化鈦層。
文檔編號G11C11/14GK1346156SQ0113723
公開日2002年4月24日 申請日期2001年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月26日
發(fā)明者足立秀明, 平本雅祥, 飯島賢二, 榊間博 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社