隧穿磁阻器件和隧穿磁阻讀頭的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本公開(kāi)提供了隧穿磁阻器件和隧穿磁阻讀頭。隧穿磁阻(TMR)器件具有薄的MgO隧穿勢(shì)壘層和自由鐵磁多層。自由鐵磁多層包括CoFeB第一鐵磁層、具有負(fù)磁致伸縮的面心立方(fcc)NiFe補(bǔ)償層、以及在CoFeB層和fcc NiFe補(bǔ)償層之間的體心立方(bcc)NiFe插入層?？蛇x的鐵磁納米層可以位于MgO勢(shì)壘層和CoFeB層之間?？蛇x的非晶分隔層可以位于CoFeB層和bcc NiFe插入層之間。bcc NiFe插入層(以及可選的非晶分隔層，如果使用的話(huà))防止fcc NiFe層在退火期間不利地影響MgO層和CoFeB層的晶體形成。bcc NiFe插入層還增大TMR并降低自由鐵磁多層的Gilbert阻尼常數(shù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
隧穿磁阻器件和隧穿磁阻讀頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明總體地涉及隧穿磁阻（TMR)器件，更具體地，涉及具有氧化鎂(MgO)隧穿勢(shì) 皇層的TMR讀頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 隧穿磁阻（TMR)器件，也被稱(chēng)為磁隧道結(jié)(MTJ)器件，由通過(guò)薄的絕緣隧穿勢(shì)皇層 分隔的兩個(gè)鐵磁層構(gòu)成。勢(shì)皇層通常由金屬氧化物制成，該金屬氧化物足夠薄使得在這兩 個(gè)鐵磁層之間發(fā)生載流子的量子力學(xué)隧穿。盡管已經(jīng)提出各種金屬氧化物諸如鋁氧化物 (Al 2〇3)和鈦氧化物(Ti02)作為隧穿勢(shì)皇材料，但是最有前景的材料是晶體氧化鎂(MgO)。量 子力學(xué)隧穿過(guò)程是依賴(lài)電子自旋的，這表示當(dāng)跨過(guò)結(jié)(junction)施加感測(cè)電流時(shí)測(cè)量的電 阻取決于鐵磁層和勢(shì)皇層的自旋相關(guān)(spin-dependent)電子性質(zhì)，并且是這兩個(gè)鐵磁層的 磁化的相對(duì)取向的函數(shù)。鐵磁層中的一個(gè)(被稱(chēng)為參考層）的磁化被固定或者被釘扎，而另 一鐵磁層(被稱(chēng)為自由層）的磁化是自由的以響應(yīng)于外部磁場(chǎng)而旋轉(zhuǎn)。它們的磁化的相對(duì)取 向隨外部磁場(chǎng)而變化，因此導(dǎo)致電阻的變化。TMR器件可用作非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (MRAM)陣列中的存儲(chǔ)器單元以及可用作磁記錄盤(pán)驅(qū)動(dòng)器中的TMR讀頭。
[0003] 圖1示出常規(guī)TMR讀頭10的截面圖。TMR讀頭10包括底部的被"固定"或"被釘扎"的 參考鐵磁(FM)層18、絕緣隧穿勢(shì)皇層20以及頂部"自由" FM層32 JMR讀頭10分別具有底部和 頂部非磁性電極或引線(xiàn)12、14,底部非磁性電極12形成在適合的基板上。FM層18被稱(chēng)作參考 層，因?yàn)楫?dāng)存在對(duì)于TMR器件的感興趣的期望范圍內(nèi)的施加磁場(chǎng)（即，來(lái)自磁記錄盤(pán)中的磁 性層的記錄區(qū)域的磁場(chǎng)）的情況下，該FM層18的磁化被防止旋轉(zhuǎn)。參考FM層18的磁化可以通 過(guò)由高矯頑磁性膜形成或者通過(guò)交換耦合到反鐵磁(AF) "釘扎"層而被固定或者被釘扎。參 考FM層18可以是反平行(AP)被釘扎結(jié)構(gòu)或者磁通閉合結(jié)構(gòu)(flux-closure structure)的 一部分，其中兩個(gè)鐵磁層通過(guò)反平行耦合(APC)間隔層而分隔并因此被反平行耦合以形成 磁通閉合，如在US5465185中所描述的。自由FM層32的磁化是自由的從而在感興趣的范圍內(nèi) 的施加磁場(chǎng)存在的情況下旋轉(zhuǎn)。在沒(méi)有施加的磁場(chǎng)的情況下，F(xiàn)M層18和3 2的磁化一般在TMR 讀頭10中垂直地排列。FM層18、32的磁化的相對(duì)取向確定TMR器件的電阻。
[0004] 像CoFe/MgO/CoFe器件一樣，具有MgO隧穿勢(shì)皇的TMR器件由于某種對(duì)稱(chēng)性的電子 的相干隧穿（coherent tunneling)而表現(xiàn)出非常大的磁阻。然而，MgO隧道結(jié)需要具有 (001)外延和理想的結(jié)晶度。MgO勢(shì)皇層通常通過(guò)濺射沉積和隨后的退火而形成，這形成晶 體結(jié)構(gòu)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硼(B)用于參考鐵磁層和自由鐵磁層中的一個(gè)或多個(gè)中時(shí)，在退火之 后觀(guān)察到較高的隧穿磁阻（A R/R或者TMR)。已知非晶的CoFeB層促進(jìn)MgO在(001)方向的高 質(zhì)量結(jié)晶，因此實(shí)現(xiàn)更高的TMR。
[0005] 在TMR讀頭中，自由鐵磁層應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生高的TMR和低的磁致伸縮。自由層通常是包括 靠近MgO勢(shì)皇層的如CoFe或者CoFeB的第一鐵磁層的多層，該第一鐵磁層通常具有高的自旋 極化而且具有高的正磁致伸縮。為了對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，自由多層還包括具有負(fù)磁致伸縮和低 Fe含量(通常小于約15原子百分比(at.%))的相對(duì)厚的NiFe合金層作為第二鐵磁層。然而， 低Fe的NiFe第二層具有面心立方(fee)晶體結(jié)構(gòu)，其破壞在退火之后MgO勢(shì)皇與第一自由層 之間的外延關(guān)系。這導(dǎo)致低的TMR。為了減輕此問(wèn)題，非晶的分隔層如Ta可以形成在第一層 和第二層之間。還提出了鐵磁非晶分隔層如CoFeBTa，如US 8427791B2中描述的，其被轉(zhuǎn)讓 給與本申請(qǐng)相同的受讓人。然而，這些非晶分隔層會(huì)導(dǎo)致自由層具有高的Gilbert阻尼常數(shù) (參數(shù)α，其是公知的Landau-Lifshitz-Gilbert公式中的無(wú)量綱系數(shù)）。高阻尼導(dǎo)致高的熱 致磁噪聲(有時(shí)被稱(chēng)為"磁噪聲(mag-noise)"）。隨著自由層體積(并且因此其磁能)減小，熱 激發(fā)對(duì)自由層的影響變得越來(lái)越重要。由于磁噪聲還與TMR信號(hào)成比例，所以如果TMR大則 磁噪聲是TMR器件中的主要噪聲源，并將限制可實(shí)現(xiàn)的信噪比（SNR)。因此，期望設(shè)計(jì)具有低 阻尼的TMR器件使得磁噪聲被抑制。
[0006] 所需要的是具有高TMR的TMR器件，其具有MgO勢(shì)皇層和自由層，該自由層具有低磁 致伸縮和低阻尼。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本公開(kāi)提供具有氧化鎂隧穿勢(shì)皇層和帶有插入層的自由層的隧穿磁阻（TMR)器 件。
[0008] 本發(fā)明的實(shí)施方式涉及具有薄的MgO隧穿勢(shì)皇層和自由鐵磁多層的TMR器件。自由 鐵磁多層包括CoFeB第一鐵磁層、具有負(fù)磁致伸縮的基本上面心立方(fee)的低Fe的NiFe補(bǔ) 償層、以及在CoFeB第一鐵磁層和fee NiFe補(bǔ)償層之間的基本上體心立方(bcc)的高Fe的 NiFe插入層?？蛇x的Co、Fe或CoFe納米層可以位于MgO勢(shì)皇層和CoFeB第一鐵磁層之間?？蛇x 的非晶分隔層如Ta、CoFeBTa或CoHf可以位于CoFeB第一鐵磁層和bcc NiFe插入層之間。bcc NiFe插入層（以及可選的非晶分隔層，如果其被使用）防止fee NiFe層在退火期間不利地影 響MgO和CoFeB層的（001)晶體形成。bcc NiFe插入層還增大TMR并降低自由鐵磁多層的 Gilbert阻尼常數(shù);然而，自由層磁致伸縮會(huì)增加。
[0009] 為了更全面理解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)參照以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是示出常規(guī)隧穿磁阻(TMR)讀頭的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。
[0011] 圖2是示出現(xiàn)有技術(shù)的TMR讀頭的具體結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。
[0012] 圖3是示出現(xiàn)有技術(shù)的TMR讀頭中的典型的參考層/MgO/自由層結(jié)構(gòu)的示意性截面 圖。
[0013] 圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的具有體心立方(bcc)NiFe合金插入層的TMR讀 頭中的參考層/MgO/自由層結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。
[0014] 圖5是比較根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)與沒(méi)有bcc NiFe插入層但具有各種非晶 分隔層的結(jié)構(gòu)的Gilbert阻尼常數(shù)的柱狀圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 圖2是高度示意的截面圖，示出如用于磁記錄盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的現(xiàn)有技術(shù)的TMR讀頭100 的結(jié)構(gòu)。此截面圖是通常被稱(chēng)為T(mén)MR讀頭100的空氣軸承表面(ABS)的視圖。TMR讀頭100包括 形成在通常由電鍍NiFe合金膜制成的兩個(gè)鐵磁屏蔽層S1、S2之間的傳感器疊層。下屏蔽S1 通常通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)而平滑化，以提供用于生長(zhǎng)傳感器疊層的光滑表面。傳感器疊 層包括:鐵磁參考層120,具有橫向地取向（遠(yuǎn)離紙面)的被釘扎的磁化121;鐵磁自由層110， 具有能夠響應(yīng)于來(lái)自記錄磁盤(pán)的橫向外部磁場(chǎng)而在層110的平面中旋轉(zhuǎn)的磁化111;以及在 鐵磁參考層120和鐵磁自由層110之間的電絕緣隧穿勢(shì)皇層130,通常是氧化鎂(MgO)。在靜 止?fàn)顟B(tài)，即沒(méi)有從記錄磁盤(pán)施加的磁場(chǎng)，自由層110的磁化111正交于參考層120的磁化121 取向。
[0016] 參考層120可以是常規(guī)的"簡(jiǎn)單的"或單個(gè)的被釘扎層，其磁化方向121通常通過(guò)交 換耦合到反鐵磁層而被釘扎或者被固定。然而，在圖2的示例中，參考層120是公知的反平行 (A P)被釘扎結(jié)構(gòu)或者磁通閉合結(jié)構(gòu)的一部分，也被稱(chēng)為"層疊"被釘扎層，如美國(guó)專(zhuān)利 5465185中描述的。AP被釘扎結(jié)構(gòu)最小化參考層120與自由層110的靜磁耦合。AP被釘扎結(jié)構(gòu) 包括跨過(guò)諸如Ru、Ir、Rh或Cr或者其合金的AP耦合(APC)層123而反鐵磁耦合的參考鐵磁 (AP2)層120和下被釘扎鐵磁(API)層122。由于跨過(guò)APC層123的反平行耦合，參考(AP2)鐵磁 層120和被釘扎(API)鐵磁層122具有它們各自的彼此反平行取向的磁化121、127。結(jié)果，AP2 鐵磁層120和API鐵磁層122的凈磁化如此小以至于由鐵磁自由層110中的磁通閉合結(jié)構(gòu)導(dǎo) 致的退磁場(chǎng)基本上被最小化，因此使得TMR讀頭最佳地運(yùn)行變得可能。
[0017] 籽層125和反鐵磁(AF)釘扎層124位于下屏蔽層S1和AP被釘扎結(jié)構(gòu)之間。籽層125 促進(jìn)AF釘扎層124生長(zhǎng)具有強(qiáng)的晶體織構(gòu)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，并因此產(chǎn)生強(qiáng)的反鐵磁性。籽層125 可以是單層或者不同材料的多層。AF釘扎層124因此強(qiáng)交換耦合到鐵磁被釘扎層122,從而 將鐵磁被釘扎層122的磁化127牢固地釘扎在垂直于A(yíng)BS并遠(yuǎn)離ABS的方向上。然后跨過(guò)APC 層123的反平行耦合將鐵磁參考層120的磁化121牢固地釘扎在垂直于A(yíng)BS并朝向ABS的方向 上并反平行于磁化127。結(jié)果，鐵磁AP2層120和鐵磁API層122的凈磁化被牢固地釘扎，因此 保證TMR讀頭的最佳運(yùn)行。代替被AF層釘扎，API層122可以自身是硬磁層或者使其磁化127 通過(guò)硬磁層諸如CoiQQ-xPtx或者CoiQQ-X-yPtxCry(其中X在約8和約30原子百分比之間）而被釘 扎。AP被釘扎結(jié)構(gòu)也可以"被自釘扎（se 1 f-p inned)"。在"被自釘扎"的傳感器中，AP 1層和 AP2層的磁化方向127、121通常設(shè)定為通過(guò)存在于所制造的傳感器中的殘余應(yīng)力和磁致伸 縮而大致垂直于磁盤(pán)表面。
[0018] 層112(有時(shí)被稱(chēng)為覆蓋層或者蓋層）位于鐵磁自由層110和上屏蔽層S2之間。層 112在加工期間保護(hù)鐵磁自由層110免受化學(xué)和機(jī)械損傷，使得鐵磁自由層110保持良好的 鐵磁性質(zhì)。
[0019] 在存在感興趣的范圍內(nèi)的外部磁場(chǎng)（即，來(lái)自記錄磁盤(pán)上的被寫(xiě)入數(shù)據(jù)的磁場(chǎng)）的 情況下，雖然鐵磁層120、122的凈磁化保持被牢固地釘扎，但鐵磁自由層110的磁化111將響 應(yīng)于磁場(chǎng)而旋轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)感測(cè)電流Is從上屏蔽層S2經(jīng)過(guò)傳感器疊層垂直地流動(dòng)到下屏蔽 層S1時(shí)，鐵磁自由層110的磁化旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致鐵磁參考層120的磁化和鐵磁自由層110的磁化 之間的角度的變化，這可檢測(cè)為電阻的變化。由于感測(cè)電流被垂直地引導(dǎo)穿過(guò)兩個(gè)屏蔽S1 和S2之間的疊層，所以TMR讀頭100是電流垂直于平面(CPP)讀頭。
[0020] 圖2還示出可選的分別在屏蔽S1、S2與傳感器疊層之間的單獨(dú)的電引線(xiàn) (electrical leads) 126、113。引線(xiàn)126、113可以由Ta、Ti、Ru、Rh或者其多層形成。引線(xiàn)是可 選的并可以用于調(diào)節(jié)屏蔽至屏蔽的間隔。如果不存在引線(xiàn)126和113,則底部屏蔽S1和頂部 屏蔽S2被用作電引線(xiàn)。鐵磁參考層120和鐵磁自由層110通常由C 〇Fe、C〇FeB或者NiFe層形 成，或者由包括這些膜的多個(gè)層形成，而鐵磁被釘扎層122通常由CoFe合金形成。籽層125通 常由包括Ta/NiFeCr/NiFe、Ta/NiFe、Ta/Ru或者Ta/Cu膜的多個(gè)層形成。AFM釘扎層124通常 由 FeMn、NiMn、PtMn、IrMn、PdMn、PtPdMn或者RhMn 膜制成。蓋層 112通常由 Ru、Rh、T i、Ta 或者 其多層制成。
[0021]雖然圖2所示的TMR讀頭100是"底部被釘扎"的讀頭，因?yàn)锳P被釘扎結(jié)構(gòu)在自由層 110下面，但是自由層110可以位于A(yíng)P被釘扎結(jié)構(gòu)下面。在這樣的布置中，AP被釘扎結(jié)構(gòu)的各 層被顛倒，使AP2層120在勢(shì)皇層130頂上并接觸勢(shì)皇層130。
[0022] MgO隧道結(jié)要求具有(001)外延和理想的結(jié)晶度。MgO勢(shì)皇層通常通過(guò)濺射沉積和 隨后的退火(其形成晶體結(jié)構(gòu)）而形成。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在參考層和自由層中的一個(gè)或兩者中使 用薄的非晶CoFeB導(dǎo)致較高的隧穿磁阻（△ R/R或者TMR)。已知?jiǎng)偝练e的（as-deposited)非 晶CoFeB層促進(jìn)MgO在(001)方向的高質(zhì)量結(jié)晶，因此在退火之后實(shí)現(xiàn)更高的TMR。因此圖3示 意地示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的典型的參考層/MgO/自由層結(jié)構(gòu)。參考層/MgO/自由層結(jié)構(gòu)被示出 為位于常規(guī)屏蔽S1和S2之間，并且常規(guī)的反鐵磁(AF)層和籽層在參考層下面且常規(guī)的覆蓋 層在自由層上面。參考層和自由層的每個(gè)的總厚度通常在約20A和80人之間。自由鐵磁層 被描繪為以下的多層:與MgO勢(shì)皇層相鄰的薄的（例如在約1-10A厚度之間）可選的CoFe "納 米層"、具有約5-40Λ之間的厚度的CoFeB層、具有約卻-lOOA之間的厚度的基本上面心立 方(fcc)NiFe層、以及在CoFeB層和fee NiFe層之間的具有約5-40A之間的厚度的可選的非 晶分隔層(例如，Ta、Zr、Hf、CoHf或者CoFeBTa層）。CoFe納米層和CoFeB層具有正磁致伸縮； 然而，fee NiFe層具有負(fù)磁致伸縮并可以因此被認(rèn)為是補(bǔ)償正磁致伸縮的補(bǔ)償層。fee NiFe補(bǔ)償層具有基本上fee晶體結(jié)構(gòu)。因?yàn)閒ee NiFe層在退火之后會(huì)不利地影響MgO勢(shì)皇與 CoFe納米層和CoFeB層之間的外延關(guān)系，并因此降低TMR，所以非晶分隔層可以用于使fee NiFe層與CoFe納米層和CoFeB層分隔。
[0023] 在本發(fā)明的實(shí)施方式中，基本上體心立方(bcc)的NiFe插入層位于fee NiFe補(bǔ)償 層和CoFeB層（或者可選的非晶分隔層，如果使用的話(huà)）之間。bee NiFe插入層具有基本上 bee晶體結(jié)構(gòu)。通常bee NiFe具有大于或等于40at. %的Fe組分。與fee NiFe補(bǔ)償層的通常 小于或等于15at. %的Fe含量相比，bee NiFe層具有相對(duì)高的Fe含量（等于或者大于 40at. % ) Acc NiFe插入層降低Gilbert阻尼常數(shù)并且還改善MR比，但是磁致伸縮也增加。 [0024] 一實(shí)施方式在圖4的截面圖中繪出。參考層/MgO/自由層結(jié)構(gòu)被示出為位于常規(guī)屏 蔽S1和S2之間，并且常規(guī)的反鐵磁(AF)層和籽層在參考層下面，常規(guī)的覆蓋層在自由層上 面。參考層可以由C 〇Fe、C〇FeB或者NiFe層(或者這些材料的多層)形成并可以是簡(jiǎn)單的被釘 扎參考層或者AP被釘扎結(jié)構(gòu)的AP2層，這兩者都在以上結(jié)合圖2而描述。MgO隧穿勢(shì)皇層具有 在約7-15A之間的典型厚度?？蛇x的CoFe合金納米層具有在約20至80at. %之間的Fe含量 以及在約之間的厚度。c〇或Fe納米層可以被用作CoFe納米層的替代。CoFeB合金層具 有(Co xFe(1Q()-x)) (1Q()-y)By的典型組分，其中下標(biāo)表示at · %，X等于或者大于60并且小于100，y 在約10與20之間?？蛇x的分隔層可以是非晶Ta、Zr、Hf或者CoFeBTa合金層，或者是具有在約 1-30A之間的厚度并且Hf含量在約10_30at. %之間的非晶CoHf合金層。fee NiFe層可以具 有在約10-60A之間的厚度以及在約2-15at. %之間的低的Fe含量。在本發(fā)明的實(shí)施方式 中，bee NiFe層具有在約2-20A之間的厚度并且Fe含量大于或等于40at.%，優(yōu)選地在約 40-55at. %之間。
[0025]以上描述的并且在圖4中示出的TMR讀頭通過(guò)以濺射沉積或者其他已知的薄膜沉 積技術(shù)沉積傳感器疊層中的層而以常規(guī)方式制造。然后在存在施加磁場(chǎng)的情況下該結(jié)構(gòu)被 退火以設(shè)定參考鐵磁層的磁化的方向。退火通常在約250至290°C進(jìn)行約4至24小時(shí)。退火還 形成具有期望的結(jié)晶度的MgO勢(shì)皇層。bcc NiFe插入層（以及可選的分隔層，如果使用的話(huà)） 防止fcc NiFe層不利地影響MgO層和CoFeB層的（001)晶體形成。在沉積并退火這些膜之后， 疊層被光刻圖案化(lithographically patterned)和蝕刻以限定讀頭的期望尺寸。
[0026] 還發(fā)現(xiàn)bcc NiFe層增大TMR。對(duì)于如圖4所示的具有非晶分隔層和bcc NiFe插入層 的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)TMR的提高在2-10 %之間。
[0027] 還發(fā)現(xiàn)bcc NiFe層降低了Gilbert阻尼常數(shù)。這在圖5的柱狀圖中示出，圖5比較了 如圖4所示的具有各種bcc NiFe插入層的結(jié)構(gòu)與沒(méi)有bcc NiFe插入層而只有各種非晶分隔 層(CoFeBTa和CoHf)的結(jié)構(gòu)。具有bcc NiFe插入層的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出約0.012的阻尼常數(shù)，而僅 具有非晶分隔層的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出從約0.015至0.025的阻尼常數(shù)。尤其值得注意的是，僅具有 CoHf分隔層的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出約0.024的阻尼常數(shù)。當(dāng)bcc NiFe插入層被添加到該結(jié)構(gòu)時(shí)，阻尼 常數(shù)顯著地減小到0.012。
[0028]雖然已經(jīng)參照優(yōu)選的實(shí)施方式具體示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將 理解，可以在其中進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變而沒(méi)有脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，所 公開(kāi)的發(fā)明將僅被認(rèn)為是說(shuō)明性的并且被限制在僅如權(quán)利要求書(shū)所指定的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種隧穿磁阻(TMR)器件，包括： 基板； 參考鐵磁層，在所述基板上； 隧穿勢(shì)皇層，在所述參考鐵磁層上并主要由MgO構(gòu)成;和 自由鐵磁多層，包括在所述隧穿勢(shì)皇層上的第一鐵磁層、具有負(fù)磁致伸縮的第二鐵磁 層、以及在所述自由多層的所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層之間的具有基本上體心立方 (b c c)晶體結(jié)構(gòu)的鎳鐵(Ni Fe)合金鐵磁插入層。2. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述自由多層的所述第二層是具有基本上面心立方 (fee)晶體結(jié)構(gòu)的NiFe合金層。3. 如權(quán)利要求2所述的器件，其中所述fee NiFe合金層包含小于或等于15原子百分比 的量的Fe。4. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述鐵磁插入層包含大于或等于40原子百分比的量 的Fe。5. 如權(quán)利要求4所述的器件，其中所述鐵磁插入層包含大于或等于40原子百分比且小 于或等于55原子百分比的量的Fe。6. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述自由多層的所述第一層是CoFeB合金層。7. 如權(quán)利要求1所述的器件，還包括在所述勢(shì)皇層和所述第一層之間并從Co、Fe以及Co 和Fe組成的合金中選擇的鐵磁納米層。8. 如權(quán)利要求1所述的器件，還包括在所述自由多層的所述第一層與所述鐵磁插入層 之間的非晶分隔層。9. 如權(quán)利要求8所述的器件，其中所述非晶分隔層從Ta、Zr、Hf、CoFeBTa合金和CoHf合 金中選擇。10. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述參考層是反平行(AP)被釘扎結(jié)構(gòu)的一部分，所 述反平行被釘扎結(jié)構(gòu)包括:具有平面內(nèi)磁化方向的第一反平行被釘扎(API)鐵磁層、與所述 隧穿勢(shì)皇層相鄰并具有基本上反平行于所述第一反平行被釘扎層的所述磁化方向的平面 內(nèi)磁化方向的第二反平行被釘扎(AP2)鐵磁層、以及在所述第一反平行被釘扎層和所述第 二反平行被釘扎層之間并且與所述第一反平行被釘扎層和所述第二反平行被釘扎層接觸 的反平行耦合(APC)層，其中所述參考層是所述第二反平行被釘扎層。11. 如權(quán)利要求10所述的器件，還包括交換耦合到所述第一反平行被釘扎層的反鐵磁 層，該反鐵磁層用于釘扎所述第一反平行被釘扎層的磁化方向。12. -種隧穿磁阻(TMR)讀頭，包括： 導(dǎo)磁材料的第一屏蔽層； 參考鐵磁層，在所述第一屏蔽層上并具有基本上被防止在存在外部磁場(chǎng)的情況下旋轉(zhuǎn) 的平面內(nèi)磁化方向； 主要由MgO構(gòu)成的電絕緣隧穿勢(shì)皇層，在所述參考層上并接觸所述參考層； 自由鐵磁多層，在所述隧穿勢(shì)皇層上并具有在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下基本上正交于所 述參考層的磁化方向取向的平面內(nèi)磁化方向，所述自由鐵磁多層包括:在所述隧穿勢(shì)皇層 上的第一鐵磁層、具有等于或小于15原子百分比的Fe含量的鎳鐵(NiFe)合金鐵磁補(bǔ)償層、 以及在所述第一鐵磁層和所述鐵磁補(bǔ)償層之間的具有等于或大于40原子百分比的Fe含量 的NiFe合金鐵磁插入層； 覆蓋層，在所述自由鐵磁多層上；以及 在所述覆蓋層上的導(dǎo)磁材料的第二屏蔽層。13. 如權(quán)利要求12所述的讀頭，其中所述NiFe合金補(bǔ)償層具有基本上面心立方(fee)晶 體結(jié)構(gòu)，并且所述NiFe合金插入層具有基本上體心立方(bee)晶體結(jié)構(gòu)。14. 如權(quán)利要求12所述的讀頭，其中所述自由多層的所述第一層是CoFeB合金層。15. 如權(quán)利要求12所述的讀頭，還包括在所述勢(shì)皇層和所述第一層之間并從Co、Fe以及 Co和Fe組成的合金中選擇的鐵磁納米層。16. 如權(quán)利要求12所述的讀頭，還包括在所述自由多層的所述第一層與所述NiFe合金 插入層之間的由Co和Hf構(gòu)成的分隔層。17. 如權(quán)利要求12所述的讀頭，還包括： 反平行(AP)被釘扎結(jié)構(gòu)，在所述第一屏蔽層和所述勢(shì)皇層之間并包括:第一反平行被 釘扎(API)鐵磁層，在所述第一屏蔽層上并具有平面內(nèi)磁化方向；第二反平行被釘扎(AP2) 鐵磁層，具有基本上反平行于所述第一反平行被釘扎層的磁化方向的平面內(nèi)磁化方向；以 及反平行耦合(APC)層，在所述第一反平行被釘扎層和所述第二反平行被釘扎層之間并且 與所述第一反平行被釘扎層和所述第二反平行被釘扎層接觸，其中所述參考層是所述第二 反平行被釘扎層；以及 反鐵磁層，交換耦合到所述第一反平行被釘扎層用于釘扎所述第一反平行被釘扎層的 磁化方向。18. -種隧穿磁阻(TMR)讀頭，包括： 導(dǎo)磁材料的第一屏蔽層； 參考鐵磁層，在所述第一屏蔽層上并具有基本上被防止在存在外部磁場(chǎng)的情況下旋轉(zhuǎn) 的平面內(nèi)磁化方向； 主要由MgO構(gòu)成的電絕緣隧穿勢(shì)皇層，在所述參考層上并接觸所述參考層； 自由鐵磁多層，在所述隧穿勢(shì)皇層上并具有在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下基本上正交于所 述參考層的磁化方向取向的平面內(nèi)磁化方向，所述自由鐵磁多層包括： 在所述MgO勢(shì)皇層上的CoFe合金納米層，具有等于或大于20原子百分比并且等于或小 于80原子百分比的Fe含量； CoFeB合金鐵磁層，在所述CoFe合金納米層上； 在所述CoFeB合金層上的非晶分隔層，從Ta、Zr、Hf、CoFeBTa合金和CoHf合金中選擇； NiFe合金鐵磁補(bǔ)償層，具有等于或小于15原子百分比的Fe含量；以及 NiFe合金鐵磁插入層，在所述分隔層和所述NiFe合金補(bǔ)償層之間，具有等于或大于40 原子百分比并且小于或等于55原子百分比的Fe含量； 覆蓋層，在所述自由鐵磁多層上；以及 在所述覆蓋層上的導(dǎo)磁材料的第二屏蔽層。19. 如權(quán)利要求18所述的讀頭，其中所述NiFe合金補(bǔ)償層具有基本上面心立方(fee)晶 體結(jié)構(gòu)，并且所述NiFe合金插入層具有基本上體心立方(bcc)晶體結(jié)構(gòu)。20. 如權(quán)利要求18所述的讀頭，還包括： 反平行(AP)被釘扎結(jié)構(gòu)，在所述第一屏蔽層和所述勢(shì)皇層之間并包括:第一反平行被 釘扎(API)鐵磁層，在所述第一屏蔽層上并具有平面內(nèi)磁化方向；第二反平行被釘扎(AP2) 鐵磁層，具有基本上反平行于所述第一反平行被釘扎層的磁化方向的平面內(nèi)磁化方向；以 及反平行耦合(APC)層，在所述第一反平行被釘扎層和所述第二反平行被釘扎層之間并且 與所述第一反平行被釘扎層和所述第二反平行被釘扎層接觸，其中所述參考層是所述第二 反平行被釘扎層；以及 反鐵磁層，交換耦合到所述第一反平行被釘扎層用于釘扎所述第一反平行被釘扎層的 磁化方向。
【文檔編號(hào)】G11B5/39GK106098083SQ201610283732
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】Z.高, S.吳
【申請(qǐng)人】Hgst荷蘭公司