磁阻器件 【技术领域】
本发明涉及一种磁阻器件，特别是涉及一种自由层或被钉扎层采用了金属间化合物或金属间合金的磁阻器件。
背景技术
由于在高真空状态中的超薄膜淀积技术的迅速发展，现在，生长和制造厚度仅为几纳米的，处于自旋-自旋相互作用范围量级的磁性薄膜已经成为了可能。因此，发现了很多在体磁性材料中未发现的现象，而且，这些现象即将被应用到诸如家用电器和工业零件的各种技术当中，例如用于在超高密度信息存储媒质或磁性随机存取存储器(MRAM)上记录信息的磁性记录头。
在磁阻器件中，电阻会随磁能而变化。就检测记录在诸如硬盘驱动器(HDD)上的信息的磁阻头而言，巨磁阻(GMR)头和隧道磁阻(TMR)头得到了广泛应用。
GMR结构通常是由一系列的铁磁体(被钉扎层)/金属非磁体(分隔层)/铁磁体(自由层)形成的。该结构利用了当电子穿越铁磁层时，阻值根据两个磁性层的自旋分布而变化的原理。这一现象可以由自旋相关散射来解释。此外，TMR结构通常是由一系列铁磁体/绝缘层(隧道阻挡层)/铁磁体形成的。在这一结构中，将绝缘层插入到了两个铁磁体之间，使得隧穿电流随铁磁体的相对磁方向而变化。就利用了GMR现象的MRAM而言，由于磁阻随磁方向的变化相对较小，所以电压差不大。
图1是说明传统TMR器件10的横截面图。固定第一铁磁层13的电子自旋的反铁磁层12形成于衬底11上，作为被钉扎层的第一铁磁层13、隧道阻挡层14和作为自由层地第二铁磁层15依次形成于反铁磁层12上。传统TMR器件10利用了隧穿电流随铁磁层相对磁方向而变化的原理。这里，固定了第一铁磁层13的自旋方向的反铁磁层12(钉扎层)是由反铁磁材料形成的。
如果在第一铁磁层13(被钉扎层)的磁自旋与第二铁磁层15的磁自旋方向(自由层)相反时施加一电流，那么，由于TMR器件的高磁阻，仅有少量电流流过阻挡层。相反，当被钉扎层的磁自旋方向与自由层的磁自旋方向相同时，由于磁阻小，会有更大的电流通过。这时，磁阻(MR)率可由公式1给出：
[公式1]
其中，P1表示被钉扎层13的自旋极化，P2表示自由层15的自旋极化。在MR比高的情况下，由于被钉扎层13和自由层15的自旋可以得到清晰的区分，因而能够实现高性能的磁阻器件。
如上所述，高MR比对于改善磁阻器件的性能是非常重要的。在传统磁阻器件中，采用CoFe或NiFe作为形成诸如自由层和被钉扎层的铁磁层的磁性材料。但是，为了制造更为高度集成且性能更高的器件，要求磁阻材料具有更高的MR比。
【发明内容】
本发明提供了一种具有高MR比的磁阻器件，该器件采用了未在传统磁阻器件中应用过的磁阻材料。
根据本发明的一个方面，提供一种磁阻器件，其中依次形成一钉扎层、一被钉扎层、一非磁性层和一自由层，并且，该自由层是由金属间化合物形成的。
这里，被钉扎层和钉扎层之一或两者也可由金属间化合物形成。
该金属间化合物优选具有X2YZ的一般结构式，其中X为Co或从Cu族选出的金属元素，Y是从由Mn、V、Ti、Ni以及Hf构成的组中选出的，作为3A或4A族材料，Z是从由Al、Si、Ga、Ge、Sn和Sb构成的组中选出的。
该金属间化合物优选包含至少一种从由PtMnSb、NiMnSb、CuMnSb、PdMnSb、PtFeSb、PtCrSb和PhMnSb构成的组中选出的材料。
根据本发明的另一方面，提供一种磁阻器件，其中依次形成了一钉扎层、一被钉扎层、一非磁性层和一自由层，而且该被钉扎层是由金属间化合物形成的。
【附图说明】
通过参照附图，对本发明的示范性实施例子以详细说明的方式，本发明的上述特征和优势会变得更加明显，其中：
图1是说明传统磁阻器件的横截面图；
图2A和2B是分别说明根据本发明的第一实施例和第二实施例的磁阻器件的横截面图；
图3是说明一金属间化合物的晶体结构的示意图；
图4是说明根据本发明形成磁阻器件中的金属间化合物的方法的示意图。
图5A是显示根据本发明第一实施例的磁阻器件的X射线衍射数据的图形；
图5B和图5C是根据本发明第一实施例的金属间化合物层的TEM图像；以及
图5D是MR测量值与施加到根据本发明第一实施例的磁阻器件上的磁场强度的关系图。
【具体实施方式】
现在，将参照说明本发明示范性实施例的附图，对本发明进行更加全面地说明。
图2A是根据本发明第一实施例的磁阻器件的横截面图。
参照图2A，钉扎层22、被钉扎层23、非磁性层24以作为隧道阻挡层和自由层25依次形成于衬底21上。该磁阻器件具有与传统隧穿磁阻器件相同的基本结构。但是，根据本发明，被钉扎层23和自由层25之一或两者由金属间化合物形成。这里，如果被钉扎层23不是由金属间化合物形成的，则可以由传统铁磁材料或从IrMn合金、FeMn合金和NiMn合金中选出的传统反铁磁材料形成。
图2B是根据本发明第二实施例的磁阻器件的横截面图。
参照图2B，自由层25、非磁性层26以作为分隔层、被钉扎层23和钉扎层22依次形成于诸如Si晶片的衬底上。这是自旋电子管式GMR器件的基本结构。在传统技术中，自由层25和被钉扎层23是由作为铁磁材料的CoFe形成的。但是，本发明的一个方面就是自由层25和被钉扎层23是由金属间化合物形成的。分隔层26可以由诸如铜的非磁性材料形成，这一点和传统技术相同。在传统磁阻器件中，钉扎层22通常是由含Mn合金，诸如IrMn合金、FeMn合金，即反铁磁材料形成的。钉扎层22固定被钉扎层23的磁方向。但是，在本发明中，钉扎层22可以由金属间化合物形成，而不是由传统的反铁磁材料形成。
具有上述结构的磁阻器件的运行如下。这里，将参照图2B对自旋电子管式磁阻器件予以说明。
在将外部磁场施加到这一磁阻器件上时，自由层25的磁化方向会随着被钉扎层23的磁方向变化。因此，被钉扎层23和自由层25之间的磁阻会发生变化。通过这样的磁阻变化，可以检测到以磁的方式存储在诸如MRAM信息存储器件或诸如HDD的磁记录媒质中的信息。因此，可以通过检测自由层25和被钉扎层23之间的磁阻读取记录在磁记录媒质上的信息。这时，必须保持MR比(磁阻变化量比最小器件磁阻)和交换约束力，即反铁磁层施加的固定被钉扎层的磁化方向的力的稳定。
如上所述，在本发明中，被钉扎层23、自由层25或钉扎层22是由金属间化合物或金属间合金形成的。
现在，将对金属间化合物或金属间合金进行更加详细的说明。该金属间化合物或金属间合金的一般结构式为X2YZ，其中，X为Co族或Cu族的金属元素，Y为Mn、V、Ti、Ni或Hf。Z是诸如Al、Si、Ga、Ge、Sn或Sb的3A或4A族的反铁磁材料。Co2MnSi、Cu2MnAl、Cu2MnSn和Co2TiSn均为金属间化合物的实例。
图3是具有所述金属间化合物的所述结构式(X2YZ)的晶体的示意图。以Co2MnSi为例，Co位于位置A和B，Mn位于位置C，Si位于位置D。
所述金属间化合物的替代结构式为XYZ。PtMnSb、NiMnSb、CuMnSb、PdMnSb、PtFeSb、PtCrSb和PhMnSb均为具有XYZ结构式的金属间化合物的实例。
通过淀积具有上述结构的金属间化合物来制造磁阻器件的工艺，可以利用在磁阻器件的制作中用于淀积铁磁层的传统工艺。但是，由于这一过程工艺的生产率低，并且在控制组分方面存在困难，所以，这不是一种有效地制造金属间化合物的工艺。例如，在采用溅射工艺在衬底上淀积金属间化合物层时，由于金属间化合物易碎，所以很难把金属间化合物制成单一靶材。所以，优选利用共同溅射工艺淀积金属间化合物。该共同溅射工艺通过在安装了溅射工艺中构成各个靶材的目标材料后控制淀积速度，使得具有理想组分的金属间化合物层能够淀积在衬底上。
图4是说明通过共同溅射在衬底上淀积金属间化合物的示意图。这里，以Cu2MnAl为例，Cu、Mn和Al分别组成Cu靶材41a、Mn靶材41b和Al靶材41c。采用放置在距离衬底42预定距离处的成形靶材，对安装在衬底支架43上的衬底42进行溅射。工艺条件，例如压力、温度和淀积速度可以被控制，从而生产具有期望特性的薄膜。为了生产根据本发明实施例的磁阻器件，加工压力约为10-3托，温度为200-400℃。Cu、Mn和Al的溅射速度分别为83/min、44/min和57/min。可以通过传统的淀积方法形成其他绝缘层(隧穿阻挡层)和分隔层。通常，在形成整个磁阻器件后，可以就地执行热处理过程。
图5A是一磁阻器件的X射线衍射(XRD)数据的图像表示，根据本发明的第一实施例，在该磁阻器件中，自由层25是由金属间化合物形成的。为了清晰起见，在温度为250℃、300℃和400℃左右时获得的数据分别沿y轴方向平移了+100、+200和+300个单位，以便在数据组之间提供一些距离。
参照图5A，在角度为33°、62°和68°时出现的峰值显示了Si衬底的特征。在角度为25°时出现的峰值为111超晶格方向的峰值，在角度为42°时出现的峰值表示200金属间化合物的某一方向的晶体结构中每种组分的无序特征。当超晶格峰出现时，就认为很好地形成了薄磁膜。随着衬底温度的升高，在角度为26°左右出现的超晶格峰会显著增大，并且角度为42°左右出现的薄磁膜的无序特征会减小。
图5B和图5C是根据本发明的磁阻器件的铁磁层和绝缘层之间的界面的剖面的TEM图像。在这些图片中，Co2MnSi层和AlOx层之间的界线清晰可见。
图5D是显示利用VSM设备测得的，根据本发明制造的磁阻器件的磁特性的图形。如图5D所示，该磁阻器件的MR比超过30％。
MR比是通过公式1计算的。通常用于磁阻器件的，诸如NiFe、Co或CoFe的铁磁材料具有40-50％左右的极化度(polarization degree，P＝0.4-0.5)。但是，就金属间化合物而言，极化度接近100％(P＝1.0)。因此，当自由层和被钉扎层均由金属间化合物形成时，从理论上来讲，MR比趋于无穷大。当自由层和被钉扎层中只有一个由金属间化合物形成时，P1＝1，P2＝0.5，因此MR比约为200％。尽管这些理论数值是以理想条件为基础的，并且与实验测得的数值差异很大，但这些理论数值表明，如果自由层或被钉扎层是由适当沉积的金属间化合物形成的，那么可以获得非常大的MR比。
尽管已经参照本发明的示范性实施例对本发明进行了特别地展示和说明，但是本领域的普通技术人员应该理解的是，在不背离如下述权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，在其外形和细节上可做出各种变化。
根据本发明，通过采用与传统材料不同的金属间化合物或金属间合金，用以形成自由层、被钉扎层和钉扎层中的至少一个，可以得到提高的MR比。因此，灵敏度裕量会得到显著提高。并且，就磁阻头而言，高MR比能够开启高密度记录媒质发展的大门。