專利名稱：磁阻元件、其制造方法和化合物磁性薄膜的形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光磁盤、硬盤、數(shù)字數(shù)據(jù)流(DDS)、數(shù)字VTR等的磁記錄裝置的再生頭、轉速檢出用的磁傳感器、磁隨機存取存儲器(MRAM)等中所使用的磁阻元件。
先有技術CPP(Current Perpendicular to the Plane)-GMR元件是利用夾持作為導體的中間層的強磁性層間自旋依存散亂的磁阻元件，TMR元件是利用夾持作為絕緣體的極薄中間層的強磁性層間自旋隧道傳導的磁阻元件。不管哪種元件，電流都是在相對于多層體的膜面垂直的方向上通過。在這些元件中，為了提高磁化相對角變化的再現(xiàn)性，強磁性層的一方被制成與例如象FeMn和IrMn那樣的反強磁性層層壓的固定磁性層。而且，如果在反強磁性層上層壓包括例如象Co/Ru/Co那樣的反強磁性結合的多層鐵結構，可進一步提高固定磁性層的固定磁場。
作為強磁性材料，受到關注的是設想根據(jù)光譜(band)計算自旋極化率為100％的半金屬(halfmetal)材料。特別是在TMR元件中，強磁性體中的自旋極化率越高，就可獲得越高的磁阻變化率。
發(fā)明要解決的課題在將磁阻元件用作磁盤、MRAM的存儲器元件等時，要求耐熱性高。例如，在將TMR元件用在MRAM中時，半導體工藝中的氫燒結和鈍化制作工藝中要進行400℃左右的熱處理。
但是，如果將包括反強磁性層的元件加熱到300℃左右以上，反強磁性層中所含的Mn發(fā)生擴散，造成磁性層的自旋極化率降低，反強磁性層的組成偏移造成固定磁場降低，導致磁阻變化率降低(S.Cardoso et.al.J.Appl.Phys.87，6058(2000))。即使對于在反強磁性體上層壓了多層鐵構造的元件，由于熱處理使多層鐵構造的層構造發(fā)生混亂，因此固定磁場不會增大。在這種磁阻元件中，要求改善耐熱性。在膜面方向上通過電流的CIP(CurrentinPlane)-GMR元件中也要求提高耐熱性。
而且，由采用半金屬材料的元件還未獲得在室溫下的高磁阻變化率。特別是，在通過采用氧化物靶的濺射法形成作為氧化物的半金屬材料時，氧的量很容易從化學量論比偏差，難以獲得良好的磁性薄膜。由采用半金屬材料的磁阻元件可得到更高的磁阻變化率。
特別是在TMR元件中，存在在對外部磁場應答方面的非對稱性變大的問題。
為解決發(fā)明課題而采取的措施根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了磁阻元件，其特征在于包括中間層和夾持該中間層的一對磁性層，這些磁性層的一方是比另一方的磁性層對外部磁場更難磁化旋轉的固定磁性層，該固定磁性層是由至少一層非磁性體層和夾持該非磁性體層的磁性體層形成的多層膜，上述磁性體層通過上述非磁性體層相互靜磁結合。
磁性體層內的磁化通過非磁性層相互大致反平行，通過閉磁相互的靜磁能，即，進行靜磁結合，抑制另一方磁性層(自由磁性層)的可致使磁場移位的漏磁。在目前使用的利用反強磁性結合的層壓鐵構造中，磁化的方向是反平行的。但是，層壓鐵構造利用了RKKY效果(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida effect)，因此對非磁性體層的厚度是敏感的。與此相對，如果利用靜磁結合，厚度依存性就比較小。而且，與利用反強磁性結合的情況相比，可增厚非磁性體層本身。因此，如果利用靜磁結合就可改善元件的熱穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明的第2個方面，提供了磁阻元件，其特征在于包括中間層和夾持該中間層的一對磁性層，該磁性層的一方是比另一方的磁性層對外部磁場更難磁化旋轉的固定磁性層，該固定磁性層是由至少一層非磁性體層和夾持該非磁性體層的磁性體層構成的多層膜，上述磁性體層通過上述非磁性體層相互靜磁結合或者反強磁性結合，將配置在從中間層側開始計的第m個(m是1以上的整數(shù))上述磁性體層作為磁性體層m，將上述磁性體層m的平均飽和磁化和平均膜厚分別作為Mm、dm，將m是奇數(shù)的磁性體層中的Mm×dm的總和計為Mdo，m是偶數(shù)的Mm×dm的總和計為Mde，則
o.5＜Mde/Mdo＜1成立。
在該元件中，構成固定磁性層的磁性體層，由于反強磁性結合或者靜磁結合，通過非磁性體層，磁化處于反平行狀態(tài)。為了完全消除固定磁性層的漏磁，應使Mde/Mdo＝1。但是，由后述的實驗結果可以確定，特別是在TMR元件中，固定磁性層和自由磁性層之間發(fā)生了正的磁結合。該結合在與對外部磁場的磁阻應答方面產(chǎn)生了非對稱性。在上述元件中，強制使Mde/Mdo＜1，發(fā)生消除正的磁結合的漏磁(產(chǎn)生負的磁結合)，因此可改善非對稱性。如果漏磁過大，在負的結合側發(fā)生非對稱性，因此，Mde/Mdo≥0.6是特別合適的。
根據(jù)本發(fā)明的第3個方面，提供了磁阻元件，其特征在于包括中間層和夾持該中間層的一對磁性層，該磁性層的至少一方包括(100)、(110)或者(111)面取向的氧化物鐵氧體，通過在上述面內導入外部磁場來檢測電阻的變化。最好是沿著(100)、(110)或(111)面內的容易磁化的軸方向導入外部磁場，但也可以是使各個面在面內成為無取向。
氧化物鐵氧體中含有MnZn鐵氧體、NiZn鐵氧體、四氧化三鐵(Fe3O4)等。氧化物鐵氧體在取向成長時，在(100)、(110)或者(111)面的磁阻變化率比較高。而且，特別是在進行外延生長時，由于在容易磁化的軸方向上導入外部磁場，因而能提高對外部磁場的磁阻變化的磁化反應性。
由本發(fā)明的其他方面提供了適用于制造上述元件的方法。該方法是包括中間層和夾持該中間層的一對磁性層、該磁性層的至少一方含有氧化物鐵氧體的磁阻元件的制造方法，其特征在于通過采用氧化物靶的濺射法，在包括應形成上述氧化物鐵氧體的面的基體上施加偏置電壓，同時形成上述氧化物鐵氧體，由此調整從上述氧化物靶向上述氧化物鐵氧體提供的氧的量。
通過采用氧化物靶的濺射法，容易發(fā)生微妙的組成偏移，這種偏移劣化了元件特性。根據(jù)上述方法，由于組成的控制變得容易，可提高元件的再現(xiàn)性。上述方法還適用于其他化合物的磁性薄膜。即，根據(jù)本發(fā)明的其他方面，提供了化合物磁性薄膜的形成方法，其特征在于通過采用化合物靶的濺射法，通過在含有應形成上述化合物磁性薄膜的面的基體上施加偏置電壓，同時形成化合物磁性薄膜，調整從上述化合物靶向上述化合物磁性薄膜供給的選自氧或氮的至少其中之一的量。根據(jù)這種方法，可以再現(xiàn)性良好地獲得具有所需化學量論比的化合物磁性薄膜。
另外，本發(fā)明的元件也可以同時具有上述多個側面。本發(fā)明的元件還可以包含更多的層，例如可以配置二個以上的非磁性層和夾持該非磁性層的磁性層。
附圖的簡要說明

圖1是用于說明磁場移位量s的圖。
圖2是表示一例本發(fā)明磁阻元件的截面圖。
圖3是示例用于制備中間層的Al厚度和磁場移位量之間關系的圖。
圖4是用于示例通過對基板施加的偏壓改變得到的Fe氧化物的結晶構造的X射線折射圖，圖4(a)是施加偏壓0W時的射線圖，圖4(b)是施加偏壓5W時的射線圖，圖4(c)是施加偏壓10W時的折射圖。
圖5是對在MgO(100)面上形成的Fe3O4從特定方向施加外部磁場時的MH曲線和MR曲線的一個例子，圖5(a)是從<100>軸方向，圖5(b)是從<010>方向分別施加外部磁場時的例子。
圖6是對在MgO(110)面上形成的Fe3O4從特定方向施加外部磁場時的MH曲線和MR曲線的一個例子，圖6(a)是從<110>軸方向，圖6(b)是從<001>方向分別施加外部磁場時的例子。
圖7的(a)(b)都是在MgO(111)面上形成的Fe3O4上從任意方向上施加外部磁場時MH曲線和MR曲線的一個例子。
圖8是表示在Fe3O4各面內的各向異性能的分布，圖8(a)是對(100)面的分布圖，圖8(b)是對(110)面的分布圖，圖8(c)是對(111)面的分布圖。
發(fā)明的實施方式下面根據(jù)優(yōu)選的實施方案說明本發(fā)明。
采用本發(fā)明第1方面提供的改善了耐熱性的磁阻元件，為了實現(xiàn)了磁性體層間的靜磁結合，最好適當調整非磁性體層的厚度。非磁性體層的優(yōu)選厚度根據(jù)非磁性體的種類而定，但是為了使靜磁結合對反強磁性結合具有有效的效果，以超過1.5nm為宜。而為了使靜磁結合占有主導地位，優(yōu)選2.6nm以上。如果非磁性體層的厚度超過了10nm，靜磁結合逐漸減弱。
上述元件，優(yōu)選元件面積在10μm2以下，特別優(yōu)選1μm2以下。這里所說的元件面積是指在中間層中與電流通過方向垂直的面的面積，在垂直電流型元件中中間層膜面的面積。如果將元件微細化至該面積為10μm2以下這樣的程度，在磁性體層中，相對于面積的厚度相對地增大。為此，磁性體層每一層的反磁場增大，該層每一層的靜磁能增大。磁性體層減少了靜磁能，使相互的磁化方向處于反平行狀態(tài)，因此，靜磁能的增大穩(wěn)定了磁化的反平行狀態(tài)。為了進一步穩(wěn)定磁化方向，可根據(jù)固定磁性層面的形狀賦予形狀各向異性。優(yōu)選的面形狀優(yōu)選長軸與短軸的比為2以上。對面形狀本身沒有限制，例如可以是長方形、菱形和橢圓形。
采用本發(fā)明第2方面提供的磁阻元件，可改善磁阻應答的非對稱性。采用該元件，具體地說，可將自由磁性層的磁場移位量的絕對值降低至自由磁性層的矯磁力的50％以下，例如20(Oe)以下，進一步降低至3(Oe)以下，特別是實際上降低至00e。這里所說的磁場移位量是指在表示磁場(H)和磁化(M)的關系的磁化—磁場曲線(M-H曲線)中，假設使磁化為0(M＝0)的兩個磁場為H1和H2時，根據(jù)下式確定s(參照圖1)，S＝(H1+H2)/2。
另外，在磁阻元件中，在自由磁性層作磁化旋轉、而固定磁性層不作磁化旋轉的范圍內的磁場的阻抗—磁場曲線中，取阻抗最大值和最小值的平均值的二個磁場實質上與自由磁性層的M-H曲線中的二個磁場(H1、H2)相對應。
采用上述元件，可適當調整Mde/Mdo的值，使磁場移位量減小到上述程度。但是，Mde/Mdo的值根據(jù)所用元件產(chǎn)生的正的磁結合的程度而不同，通常優(yōu)選為0.5～0.9左右。
如果構成固定磁性層的磁性體層均是軟磁性層，對外部磁場容易發(fā)生旋轉。因此，構成固定磁性層的磁性體層的至少一層優(yōu)選具有高矯磁力，例如500(0e)(39.8kA/m)以上的矯磁力。優(yōu)選的高矯磁力材料可舉出CoPt、FePt、CoCrPt、CoTaPt、FeTaPt、FeCrPt等。
也可通過采用反強磁性層，使在反平行狀態(tài)下結合的磁化穩(wěn)定。在這種情況下，本發(fā)明的上述元件形成進一步包括反強磁性層并且該反強磁性層與固定磁性層進行磁結合的元件。反強磁性體可采用FeMn、IrMn等含Mn反強磁性體，還有組成式為Cr100-xMex(Me選自Re、Ru和Rh的至少一種，0.1≤X≤20)表示的含Cr反強磁性體。優(yōu)選的一個含Mn強磁性體可舉出由組成式Mn100-xMex(Me選自Pd和Pt的至少一種，40≤X≤55)表示的貴金屬系反強磁性體。
為了提高反強磁性體的結晶性，可以在具有與反強磁性體類似的結晶構造和/或晶格常數(shù)的底層上形成反強磁性體層。例如，在反強磁性體是PtMn或者PtPdMn時，在底層上可以采用NiFe或NiFeCr。
下面舉例說明本發(fā)明第3方面提供的磁阻元件的優(yōu)選方案。例如，在基板或者底層上，在(110)面上外延成長四氧化三鐵時，假設該面內的<100>軸方向為0度，在(110)面內，在30度以上150度以下的范圍內導入外部磁場，可檢測到磁阻的變化。如果如上所述導入外部磁場，磁阻變化的磁化應答性變高。這種方案適合于結晶磁各向異性能中至少K1是負值，優(yōu)選K2也是負值的氧化物鐵氧體。對于K1具有正值并優(yōu)選K2也具有正值的氧化物鐵氧體，假設<100>軸方向為0度，在(110)面內，可在170度以上190度以下的范圍內導入外部磁場。
另一方面，在(100)面上外延成長的四氧化三鐵，假設該面內的<100>軸方向為0度，在(100)面內，可在40度以上50度以下或者130度以上140度以下的范圍內導入外部磁場。這種方案適合結晶磁各向異性能中K1具有負值并優(yōu)選K2也具有負值的氧化物鐵氧體。在K1具有正值并優(yōu)選K2也具有正值的氧化物鐵氧體的情況下，假設<100>軸方向為0度，在(100)面內，可在85度以上95度以下或者175度以上185度以下的范圍內導入外部磁場。
在(111)面上外延成長的四氧化三鐵中，在該面內，如果在任意范圍的角度內導入外部磁場并檢測到磁阻變化，可獲得高的磁化應答性。假設<110>軸方向為0度，在(111)面內，在包括30度、90度或者150度的范圍內，優(yōu)選實際上可以從下列任意角度開始導入外部磁場。這種優(yōu)選的方案對至少K2具有負值的氧化物鐵氧體是共同的。在至少K2為正值時，假設(110)軸方向為0度，在(111)面內，在包括0度、60度或者120度的范圍，優(yōu)選實際上可以從下列任意角度開始導入外部磁場。
在(100)面、(110)面或者(111)面上取向，并且在面內以無取向方式成長的四氧化三鐵中，在各面內，在任意范圍的角度內都可導入外部磁場。特別是，如果使Fe3O4面方向的平均結晶寬度為10nm以下，外表上的結晶磁各向異性能減小，可形成磁性弱的Fe3O4，或者以Fe3O4為主要成分的強磁性體。這并不限于Fe3O4，對氧化物鐵氧體整個通用。
在與氧化物鐵氧體結合的中間層中，如果含有具有d電子的元素，發(fā)現(xiàn)磁阻變化率有增大的傾向。具有d電子的元素是周期表原子序號為21號以后的元素。
在通過采用化合物磁性靶的濺射法形成氧化物鐵氧體這樣的含有氧和/或氮和過渡金屬的化合物磁性薄膜時，容易生成氧和氮的組成偏移。但是，在形成化合物磁性薄膜的基板或者底層上施加偏壓，在控制薄膜所含的氧和/或氮的量的同時進行成膜，可形成再現(xiàn)性高的化合物磁性薄膜。這種方法可以和惰性氣體同時并用含氧和/或氮的濺射氣體的反應性濺射法。
施加偏壓，例如，(1)基板從地板上帶電浮起，根據(jù)放電電力、氣體壓力等確定的等離子密度條件控制所施加的偏壓，(2)基板從地板帶電浮起，通過由外部電源施加直流(DC)或者高頻(RF)偏壓進行。RF偏壓的頻率可在通常使用的范圍內，例如可以在10MHz以上。
該方法適用于RF濺射法，例如RF磁控管濺射法。用于這些濺射法時，可在作為靶的化合物磁性體上施加RF電壓，同時，在基板上施加DC或者RF偏壓進行成膜。向靶和基板供給RF電壓抑制了膜最表面形成磁劣化層，因此優(yōu)選同時進行。
這種成膜方法特別適合于形成氧化物鐵氧體等的氧化物磁性薄膜。通常，氧化物磁性靶的電阻比較高，如果采用其在沒有偏壓的情況下成膜，有氧過剩供給的傾向。為了降低膜中的氧，施加負偏壓是有效的，又由于是電阻高的膜，因此優(yōu)選使用RF偏壓。但是，包括氧化物鐵氧體的上述元件的制造方法并不限于上述成膜方法。例如，采用氧量在化學量論比以下的化合物磁性靶，可利用通過常規(guī)濺射法形成的組成偏移。采用上述靶，可通過反應性濺射法補充不足的氧。
為了提高化合物磁性薄膜的結晶性，可使基板溫度在250℃以上到700℃以下。由于施加了偏壓，所以加熱基板適合輻射加熱。
以上說明的磁阻元件，特別是對于在與多層膜的膜面垂直通過電流的垂直電流型元件(CPP-GMR元件、TMR元件)中是有用的，對在膜面方向上通過電流的元件(CIP-GMR元件)也是有效的。
作為TMR元件的中間層，可采用含有選自氧、氮、碳和硼的至少一種元素的絕緣體或者半導體。優(yōu)選的材料可列舉SiO2、SiC、Si3N4、Al2O3、AlN、Cr2O3、TiC、HfO2、HfN、HfC、Ta2O5、TaN、TaC、BN、B4C、DLC(金剛石類碳)、C60、它們的混合物。
作為GMR中間層，可以采用含有過渡金屬元素的導體。也可采用含有過渡金屬和選自氧、氮和碳的至少其中之一的導電性化合物。而且，在制備CPP-GMR元件時，最好使元件面積(電流通過的中間層的面積)為0.1μm2以下。這是因為通過限制元件面積，元件阻抗增大，同時也可提高了耐熱性。作為中間層，特別優(yōu)選選自V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Cu、Ag、Au、Ru、Rh、Ir、Re和Os中的至少一種?？蓪⑦@些金屬氧化、氮化或者碳化至不喪失導電性的程度。還可以采用過渡金屬X和化合物R(選自SiO2、SiC、Si3N4、Al2O3、AlN、Cr2O3、Cr2N、TiO、TiN、TiC、HfO2、HfN、HfC、Ta2O5、TaN、TaC、BN和B4C的至少一種)的混合物。而且形成了X/R這樣的兩層以上的多層膜，元件阻抗和耐熱性就提高了。
在非磁性體層中可采用非磁性的導電性材料。作為靜磁結合磁性體層的非磁性體層的優(yōu)選材料可列舉例如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Rh、Pt、Pd等。作為反強磁性結合磁性體層的非磁性體層的優(yōu)選材料可列舉例如Cr、Cu、Ag、Au、Ru、Rh、Ir、Re、Os等。
反強磁性結合中優(yōu)選非磁性體層的厚度因材料而不同，約為0.2～1.3nm左右。特別優(yōu)選該厚度例如在非磁性體為Cr時為0.8～1.3nm，是Ru時為0.2～0.5nm或者0.6～1.0nm，是Ir時為0.3～0.5nm，是Rh時為0.4～0.8nm。
對磁性體層的材料和厚度沒有特別限制，可以使用目前使用的材料和厚度。另外，在采用靜磁結合的情況下，磁性體層的厚度可做成1.5～20nm。這是因為如果低于1.5nm則會使因靜磁結合導致的靜磁能的降低變小，而如果厚于20nm則會使來自各磁性體層的漏磁場難以閉磁。
磁性層在至少從中間層的界面開始計0.5nm以內的范圍優(yōu)選由以下的材料構成。(1)CoNbZr、CoTaZr、CoFeB、CoTi、CoZr、CoNb、CoMoBZr、CoVZr、CoMoSiZr、CoMoZr、CoMoVZr或者CoMnB等Co系非晶材料，(2)FeSiNb、Fe(Si、Al、Ta、Nb、Ti)N等Fe系微晶材料，(3)含有選自Fe、Co和Ni的強磁性元素50重量％以上的材料，例如FeCo合金、NiFe合金、NiFeCo合金、或者FeCr、FeSiAl、FeSi、FeAl、FeCoSi、FeCoAl、FeCoSiAl、FeCoTi、Fe(Ni)(Co)Pt、Fe(Ni)(Co)Pd、Fe(Ni)(Co)Rh、Fe(Ni)(Co)Ir、Fe(Ni)(Co)Ru等強磁性或者薄磁性合金，(4)FeN、FeTiN、FeAlN、FeSiN、FeTaN、FeCoN、FeCoTiN、FeCoAlN、FeCoSiN、FeCoTaN等氮化物，(5)Fe3O4，(6)XMnSb(X選自Ni、Cu和Pt中的至少一種)、LaSrMnO、LaCaSrMnO、CrO2等半金屬材料，(7)鈣鈦礦型氧化物、MnZn鐵氧體、NiZn鐵氧體等尖晶石型氧化物，(8)石榴石型氧化物。也可以是含有這些物質50重量％以上的強磁性體或者鐵磁性體。本說明書中括號內的元素或者層可以是任意元素和層。
本發(fā)明提供的各元件的構成在圖2表示。在該元件中，在基板14上依次層壓下部電極兼底層13、第1磁性層17、中間層16、第2磁性層15和上部電極11。由磁性層和中間層制成的臺面型元件被層間絕緣膜12包圍。第1、第2的任意一個磁性層可以是自由磁性層(固定磁性層)，或者任意一個磁性層可以含有氧化物鐵氧體。磁性層和中間層可以是多層膜，也可以配置反強磁性層等其它層。元件的構成不限于圖2的示例。
磁性層等各層可通過目前已知的各種氣相成膜法來形成。作為氣相成膜法，可舉出離子束沉積法(IBD)、多離子束法、RF、DC、ECR、交叉法(helicon)、ICP、對向靶等各種濺射法、MBE法、離子噴鍍法等。除了這些PVD法之外，特別是在制備層間絕緣膜還可以采用CVD法(化學蒸鍍法)。
氧化物等化合物的中間層可以采用化學束外延法、氣源MBE法、反應性蒸鍍法、反應性濺射法等直接成膜。通過伴隨著發(fā)生等離子體的方法(例如反應性濺射法)形成中間層時，為了抑制了露出的磁性層表面的氧化等，在磁性層上可以預先形成阻擋層。作為阻擋層，Al、Si、Ti、Ta、Hf、Nb、V、Cr等的極薄的層，例如1個原子到數(shù)個原子層程度的層是合適的。通過不產(chǎn)生等離子體的反應性蒸鍍法，可以成膜一個原子層左右的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物層等來保護磁性層。化合物的中間層不是直接成膜的，在磁性層上成膜構成中間層的元素(例如Al)，通過將其在適當?shù)姆謮?、反應溫度和時間下暴露于含有氧等的氣體的原子、分子、離子(等離子體)、自由基等的氣氛中，形成化合物(例如Al2O3)。反復數(shù)次進行成膜/氧化等循環(huán)，形成所需厚度的中間層。
對于將元件部件加工成臺面型的方法也沒有特別的限制，可以采用通常的微細加工工藝中所用的離子磨、RIE、EB、FIB等物理或者化學蝕刻法和光刻法技術。而且，為了使下部電極平坦化，如果采用CMP法、集束離子束蝕刻法進行表面處理，具有提高磁阻變化率的效果。
實施例(實施例1)通過磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制作以下樣品。
(樣品1)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)(樣品2)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(7)/Ta(3)(樣品3)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ta(3)/CoFe(10)/Ta(3)(樣品4)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ta(3)/CoPt(4.4)/Ta(3)(樣品5)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ia(3)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)(樣品6)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Cu(2.2)/CoFe(3)/Ta(3)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)括號內的數(shù)值是膜厚(單位nm，以下相同)。這里，Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)是下部電極兼底層，CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/PtMn(20)是采用層壓鐵結構的固定磁性層，CoFe(3)/Ta(3)/CoPt(4.4)、CoFe(3)/Ta(3)/CoFe(3)或者CoFe(3)/Ta(3)/CoFe(10)是采用靜磁結合的固定磁性層，Al2O3或者Cu是中間層，剩下的是自由磁性層(但是，最表面Ta(3)是保護膜)。CoPt(4.4)的矯磁力是500(0e)。
進行上述成膜后，在400℃、5k0e(398kA/m)的磁場中，進行1.5個小時的熱處理。接著，采用スラッパ，精細加工成臺面型，使在中間層上電流通過的元件面積是0.1～20μm2，該層面的形狀比為4∶1。接著，形成層間絕緣膜和上部電極，制成垂直電流型的磁阻元件。元件縱向和熱處理時的磁場施加方向為同一方向。
對如此得到的各元件通過在元件形狀的縱向上施加±1000(0e)(79.6kA/m)的外部磁場，表示所測定的磁阻變化率(MR值)表1 (MR值％)

與具有層壓鐵構造的樣品1、根據(jù)形狀各向異性利用矯磁力差的樣品2相比，元件面積在10μm2以下，樣品3～6的MR值變高。與樣品2相比，樣品3～6的MR值高，這被認為是由于靜磁結合向自由磁性層漏磁的影響降低。樣品4和5由于采用了反強磁性體或者高矯磁力的磁性體，MR值的元件面積依存性減小。中間層采用Cu的樣品6雖然含有反強磁性體，但是由于元件面積減小，單位面積的電流有實質的增加，因此，元件面積依存性提高。
接著，對下面的膜構成，研究改變非磁性體層Ta的膜厚X時的MR值。結果由圖2示出。在與上述包括熱處理條件的相同條件下制備，使元件形狀比也為4∶1。元件面積為0.1μm2。
(樣品7)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ta(X)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)
表2Ta膜厚(nm) MR(％)1 201.5 353 405 4110 3520 25非磁性體層的膜厚在靜磁結合起支配的范圍(優(yōu)選2.6～10nm左右)時，可得到高的MR值。同樣的試驗結果是磁性體層的優(yōu)選厚度為1.5～20nm。對上述列出的各種強磁性體、各種非磁性體、各種高矯磁力材料(反強磁性體)進行同樣的試驗，可測定同樣的傾向。
(實施例2)在Si熱氧化基板上制作具有以下膜構成的元件。
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3/CoFe(3)/NiFe(4)/Ta(3)改變用于形成Al2O3層的成膜的Al的膜厚，對它們分別測定MH曲線，求出磁場移位量。結果在圖3表示。隨著Al的膜厚變薄，磁場移位量增大。其理由的詳細情況還不知道，但是可以認為是通過Al2O3變薄，自由磁性層和固定磁性層之間的橘皮偶合，兩磁性層之間發(fā)生正的磁結合。
接著，使Al膜厚為0.7nm，制備具有以下膜構成的元件。
(樣品11)Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(5)/Al2O3/CoFe(3)/NiFe(4)/Ta(3)(樣品12)Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3/CoFe(3)/NiFe(4)/Ta(3)對兩元件測定MH曲線時，磁場移位量在樣品11中受到抑制，在樣品12中發(fā)現(xiàn)具有增大的傾向。對于樣品11，在將多層膜加工層臺面型并測定MR值時，在RA(規(guī)格化結合阻抗)為15Ωμm2時獲得30％的MR值。磁場移位量被抑制在幾乎為0(0e)。
這樣，特別是在中間層的膜厚薄的情況下，如果中間層側的磁性體層的飽和磁化和膜厚的積更大，可抑制磁場移位。從更詳細的試驗結果可確定上述Mde/Mdo在0.5以上不到1時，可得到磁場移位小的磁阻元件。
(實施例3)通過采用Fe3O4靶的RF磁控管濺射法，在Si熱氧化基板上在室溫下成膜Fe氧化物。成膜時，在0、5或者10W下施加偏壓。這樣成膜的Fe氧化物膜的X射線折射結果在圖4表示。RF偏壓為0W時成膜為Fe2O3，為5W時成膜為Fe3O4，為10W時成膜為FeO，隨著增加偏壓，氧量減少。在基板面上平行觀察(111)面，可確定Fe3O4具有(111)面取向。從MH曲線的測定等還可確定膜面內無取向。改變基板溫度形成Fe3O4時，基板溫度在250℃700℃的范圍內，可確定可容易制備具有高結晶性的Fe3O4。
在Si熱氧化基板上，使基板溫度為300℃，成膜膜厚300nm的Pt膜，在偏壓5W的條件下，成膜膜厚50nm的Fe3O4膜。接著，將基板溫度返回到室溫后，形成Al2O3膜，進而層壓膜厚20nm的CoFe膜。測定該多層膜的MR值，為3％左右。該值不隨施加磁場的方向而變，是一定的。
在MgO基板(100)、(110)或者(111)面上，與上述同樣，形成多層膜。各多層膜的MH曲線和微細加工后的MR曲線在圖5～7表示。圖5表示在(100)面內的<100>或者<010>的軸向上施加外部磁場時的結果，圖6表示在(110)面內的<110>或者<001>軸向上施加外部磁場時的結果，圖7表示從(111)面內的任意方向施加外部磁場時的結果。
最高的MR是在(110)面的<110>軸向上施加外部磁場時得到的。該結果正如從各膜面內的各向異性能分布圖(圖8)所理解的那樣，暗示出如果在被當作容易磁化的軸向的方向上施加外部磁場，可得到最高的MR。在將象Fe3O4那樣的、具有高自旋極化率并且結晶磁各向異性比較大的材料作為器件使用時，如果采用難以磁化的軸方向，在實用的磁場范圍內，是磁不飽和的。因此，難以獲得高了MR。
發(fā)明的效果在緊接氧化物鐵氧體的部分采用含有d電子的元素(例如)的中間層，進行與上述相同的試驗，進一步提高MR。
根據(jù)本發(fā)明，通過制備在固定磁性層上導入靜磁結合的磁阻元件，提高了耐熱性。而且，根據(jù)本發(fā)明，通過制備在構成固定磁性層的磁性體層上強行產(chǎn)生負結合的磁阻元件，可降低磁場移位量。根據(jù)本發(fā)明，通過使氧化物鐵氧體的外部磁場的施加方向為特定方向，可提供具有高MR的磁阻元件。根據(jù)本發(fā)明，通過在基板上施加偏壓并調整氧等的含量，可以以良好的再現(xiàn)性成膜具有優(yōu)良特性的化合物磁性薄膜，例如氧化物鐵氧體。
權利要求
1.磁阻元件，其特征在于包括中間層和夾持該中間層的一對磁性層，上述磁性層的一方是比另一方的磁性層對外部磁場更難磁化旋轉的固定磁性層，該固定磁性層是由至少一層非磁性體層和夾持該非磁性體層的磁性體層形成的多層膜，上述磁性體層通過上述非磁性體層相互靜磁結合。
2.權利要求1記載的磁阻元件，元件面積為10μm2以下，這里所說的元件面積是指在中間層中，與電流通過的方向垂直的面的面積。
3.磁阻元件，其特征在于包括中間層和夾持該中間層的一對磁性層，該磁性層的一方是比另一方的磁性層對外部磁場更難磁化旋轉的固定磁性層，該固定磁性層是由至少一層非磁性體層和夾持上述非磁性體層的磁性體層構成的多層膜，上述磁性體層是通過上述非磁性體層相互靜磁結合或者反強磁性結合，將配置在從中間層側開始計的第m個(m是1以上的整數(shù))上述磁性體層作為磁性體層m，將上述磁性體層m的平均飽和磁化和平均膜厚分別作為Mm、dm，將m是奇數(shù)的磁性體層中的Mm×dm的總和計為Mdo，m是偶數(shù)的Mm×dm的總和計為Mde，則0.5＜Mde/Mdo＜1成立。
4.權利要求3記載的磁阻元件，作為自由磁性層的上述另一方的磁性層的磁場移位量的絕對值為上述自由磁性層的矯磁力的50％以下；這里所說的磁場移位量是指在表示磁場(H)和磁化(M)的關系的磁化—磁場曲線(M-H曲線)中，將磁化為0(M＝0)的兩個磁場記為H1、H2(但是H1＞H2)時，由以下式子確定的量s，s＝(H1+H2)/2。
5.權利要求1或者3記載的磁阻元件，其中構成固定磁性層的至少一層磁性體層具有500(0e)以上的矯磁力。
6.權利要求1或3記載的磁阻元件，進一步含有反強磁性層，上述反強磁性層與固定磁性層磁性結合。
7.磁阻元件，其特征在于包括中間層和夾持上述中間層的一對磁性層，上述磁性層的至少一方含有(100)、(110)或(111)面取向的氧化物鐵氧體，通過在上述面內導入外部磁場來檢測電阻的變化。
8.權利要求7記載的磁阻元件，在(100)、(110)或(111)面內的容易磁化的軸方向上導入外部磁場。
9.權利要求8記載的磁阻元件，其中氧化物鐵氧體在(110)面取向，假設上述面內的<100>軸方向為0度，在上述(110)面內，在30度以上150度以下的范圍內導入外部磁場。
10.權利要求8記載的磁阻元件，其中氧化物鐵氧體在(100)面取向，假設上述面內的<100>軸方向為0度，在上述(100)面內，在40度以上50度以下或者130度以上140度以下的范圍內導入外部磁場。
11.權利要求8記載的磁阻元件，其中氧化物鐵氧體在(111)面上取向。
12.權利要求7記載的磁阻元件，其中(100)、(110)或(111)面在面內為無取向。
13.權利要求7記載的磁阻元件，其中氧化物鐵氧體是四氧化三鐵。
14.權利要求1、3或7記載的磁阻元件，其中中間層是含有選自氧、氮、碳和硼的至少一種元素的絕緣體或者半導體。
15.權利要求1、3或7記載的磁阻元件，其中中間層是含有過渡金屬元素的導體。
16.權利要求15記載的磁阻元件，其中元件面積在0.1μm2以下。
17.制造磁阻元件的方法，該方法是包括中間層和夾持該中間層的一對磁性層、該磁性層的至少一方含有氧化物鐵氧體的磁阻元件的制造方法，其特征在于通過采用氧化物靶的濺射法，在包括應形成上述氧化物鐵氧體的面的基體上施加偏置電壓的同時形成上述氧化物鐵氧體，由此調整從上述氧化物靶向上述氧化物鐵氧體提供的氧的量。
18.權利要求17記載的磁阻元件的制造方法，其中施加高頻率偏壓。
19.權利要求17記載的磁阻元件的制造方法，其中使基體溫度在250℃以上700℃以下。
20.化合物磁性薄膜的形成方法，其特征在于通過采用化合物靶的濺射法，在包括應形成上述化合物磁性薄膜的面的基體上施加偏置電壓的同時形成化合物磁性薄膜，調整從上述化合物靶向上述化合物磁性薄膜供給的選自氧或氮的至少其中之一的量。
21.權利要求20記載的化合物磁性薄膜的形成方法，其中施加高頻率偏壓。
22.權利要求20記載的化合物磁性薄膜的形成方法，其中使基體溫度在250℃以上700℃以下。
全文摘要
本發(fā)明的目的是改善磁阻元件的耐熱性和磁場移位量。本發(fā)明提供了磁阻元件,其中固定磁性層是由至少一層非磁性體層和夾持該非磁性體層的磁性體層形成的多層膜,上述磁性體層通過上述非磁性體層相互靜磁結合。該元件具有改善的耐熱性。本發(fā)明還提供了固定磁性層是上述多層膜并進行靜磁結合或者反強磁性結合以發(fā)生負的磁結合的磁阻元件。該元件降低了磁場移位量。本發(fā)明提供了夾持中間層的磁性層的至少一方是包括以(100)(110)或者(111)面作為取向面的氧化物鐵氧體,并在該取向面內導入外部磁場的磁組件。該元件顯示出高的磁阻變化率。
文檔編號H01L43/12GK1343016SQ0113715
公開日2002年4月3日 申請日期2001年9月11日 優(yōu)先權日2000年9月11日
發(fā)明者平本雅祥, 榊間博, 足立秀明, 松川望, 飯島賢二, 里見三男 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社