带有改进的反铁磁耦合薄膜的磁性器件制造技术

公开了一种带有改进的反铁磁耦合薄膜的磁性器件。本发明专利技术公开的磁性器件是一种磁阻传感器或一种磁沟道结器件，其铁磁结构带有以一种改进的ＡＦＣ薄膜反铁磁耦合在一起的两个铁磁层。ＡＦＣ薄膜是一种Ｒｕ↓［１００－ｘ］Ｆｅ↓［ｘ］合金，ｘ是大约１０和６０之间的原子百分比。这种ＡＦＣ薄膜使交换耦合提高至一个因数或２，并且具有一种接近六边形的组合晶体结构，使它与Ｃｏ合金铁磁层兼容。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁性器件，它们使用的铁磁层利用反铁磁耦合(AFC)薄膜进行反铁磁交换耦合。这些器件包括记录磁盘、基于巨磁阻(GMR)效应的磁阻读磁头以及用作磁性存储器单元和磁阻读磁头的磁沟道结(MTJ)器件。本申请要求保护一种作为磁阻读磁头和MTJ器件的磁性器件，而一份同时提交的共同待批准申请要求保护作为记录磁盘的磁性器件。
技术介绍
在6,280,813号美国专利中，介绍了一种记录磁盘，它使用至少两个铁磁层，由一层AFC薄膜分开，这里引用作为参考。钌(Ru)是AFC薄膜所用的优选材料，因为它与铁磁层中的钴(Co)合金材料具有相同的接近六角形密集(hcp)晶体结构，并且具有报导中最强的交换耦合。自旋阀(SV)GMR读磁头是一种夹层结构，包括两个不耦合的铁磁层，由一个非磁性的金属导电隔离层——典型情况下是铜(Cu)——分开，其中铁磁层之一的磁化方向(磁矩)被固定或者说扎钉，而自由或者说传感铁磁层的磁化方向自由旋转。在5,206,590号美国专利中，介绍了基本的SV磁阻传感器。磁沟道结(MTJ)器件具有两个铁磁层，由一个非磁性的电绝缘层——称为沟道势垒层，典型情况下是由氧化铝制成——分开。铁磁层之一是扎钉层，其磁化方向朝向层面内，但是受到固定或者说扎钉，所以存在着外加磁场时也不能旋转。扎钉铁磁层可以利用一个邻近反铁磁层的界面交换偏磁进行扎钉，而自由铁磁层的磁化方向能够相对于扎钉层的磁化方向旋转。垂直流过绝缘沟道势垒层的沟道电流，取决于这两个铁磁层的相对磁化方向。MTJ器件已经在磁性存储器阵列中用作存储器单元，以及在磁记录设备中用作磁阻读磁头。通过把自由层和扎钉铁磁层之一或二者都替换为一种层状结构，所述层状结构包括由一层AFC薄膜形成一种反向平行朝向的相互反铁磁交换耦合的两层铁磁薄膜，使SV磁阻传感器和MTJ器件得以改进。这种层状结构是磁刚性的，所以用作自由铁磁层时，这两层反向平行的薄膜一起旋转。在5,408,377号和5,465,185号美国专利中，介绍了这些改进的SV传感器，这里引用作为参考。正如5,841,692号和5,966,012号美国专利中的介绍，通过以这种层状结构取代自由层和扎钉层，也已经改进了MTJ器件，这里引用作为参考。在SV传感器和MTJ器件中所用的这些层状结构中，Ru也是AFC薄膜所用的优选材料。在AFC薄膜非常薄的极限情况下，Ru展示出反铁磁强耦合，而且在钴(Co)、钴-铁(Co-Fe)和镍-铁(Ni-Fe)铁磁薄膜——它们形成了这些层状结构中的反向平行朝向的铁磁薄膜对——之间，展示出非常强的反铁磁耦合。对于某些磁性器件应用，需要使反铁磁交换耦合的强度提高到Ru所达到的强度之上。记录磁盘应用就是这种情况，公知合金铁磁层的磁矩越高，反铁磁交换耦合就越强。因此，在记录磁盘中提高交换耦合的一种方法是，在AFC薄膜与铁磁层的界面处加入高磁矩铁磁材料。不过，这种方法需要使磁盘中的层数增加，也可能增加固有的介质噪音。我们所需要的是AFC薄膜所用的一种材料，该材料能增强铁磁层之间的反铁磁交换耦合。
技术实现思路
本专利技术是一种磁性器件，其铁磁结构带有以一种改进的AFC薄膜反铁磁耦合在一起的两个铁磁层。AFC薄膜是一种Ru100-xFex合金，其中x是大约10和60之间的原子百分比。这种AFC薄膜使交换耦合提高至一个因数或2，并且具有一种接近六角形密集晶体结构，使它与Co合金铁磁层兼容。为了更全面地了解本专利技术的本质和优点，应当与附图一起参考以下的详细说明。附图简要说明附图说明图1是一幅示意图，展示了现有技术中带有一层Ru AFC薄膜的AFC记录磁盘；图2是一条M-H磁滞回线，表现了例如图1中AFC记录磁盘的性质；图3是一幅示意图，展示了现有技术中带有反铁磁耦合的层状自由和扎钉铁磁层的SV磁阻传感器；图4是一幅示意图，展示了现有技术中带有反铁磁耦合的层状自由和扎钉铁磁层的MTJ器件；图5是一幅曲线图，对比了多种原子百分比Fe的情况下，AFC记录磁盘的矫顽力，分别带有现有技术的Ru AFC薄膜和带有本专利技术的Ru-Fe合金AFC薄膜。具体实施例方式现有技术中反铁磁耦合的记录磁盘图1显示了现有技术中反铁磁耦合的记录磁盘10，带有两层铁磁薄膜12、14，由一层AFC薄膜16分开。典型情况下，铁磁薄膜12、14由一种Co合金制成，比如CoPtCrB，而AFC薄膜由Ru制成。选择Ru AFC薄膜16的厚度，分别使得相邻薄膜12、14的磁矩22、24通过Ru薄膜16反铁磁交换耦合，并且在外加磁场为零时反向平行。薄膜12、14分别具有磁矩值Mr1t1和Mr2t2，其中Mr为剩余磁化，t为层厚度。分别使相邻薄膜12、14的磁矩22、24朝向反向平行对齐，因此否定地相加以减小组合层10的磁矩。箭头22、24表示了正好相互上下跨越AFC薄膜16之各个磁畴的磁矩朝向。图2显示的主磁滞回线，表现了如图1所示反铁磁耦合记录磁盘的性质。在磁滞回线的不同点上，水平箭头对指明了铁磁薄膜12、14的磁化朝向。外加磁场在正向增大(箭头30、32)。外加磁场强时，反铁磁耦合被克服，两层铁磁薄膜12、14的磁矩都平行于外加磁场(箭头42、44)。随着外加磁场减弱(箭头34)，较薄的底层铁磁薄膜14的磁矩反转，变为反向平行于较厚的顶层铁磁薄膜12的磁矩(箭头52、54)，并且反向平行于外加磁场，导致净磁矩减弱。这种转换大致发生在底层薄膜14感应到跨越Ru AFC薄膜16耦合的交换磁场(Hex)增强之时。要实现铁磁薄膜12、14的反向平行对齐，就需要交换磁场超过底层铁磁薄膜14磁化反转所需的矫顽磁场。以AFC薄膜16反铁磁耦合的薄膜12、14，也可以加入到反铁磁耦合的层状记录磁盘中，正如已公开的美国专利申请US2002/0098390 A1中的介绍，这里引用作为参考。在这样一种层状磁盘的情况下，一层不提供反铁磁耦合的非磁性隔离薄膜，位于上层铁磁薄膜12的顶部，一层第三铁磁薄膜，位于这层隔离薄膜的顶部。现有技术的自旋阀磁阻传感器图3中示意性地显示的SV磁阻传感器，带有反铁磁耦合的层状铁磁薄膜，分别作为自由和扎钉铁磁层。该结构具有一层钽(Ta)薄膜，作为基底61上形成的缓冲层62。层状自由铁磁层90包括由RuAFC薄膜93分开的NiFe(坡莫合金)薄膜92、94。铁磁薄膜92、94使其磁矩反向平行对齐，分别如进入纸面的箭头95和出于纸面的箭头96所示。在自由层90上沉积了Cu层65，作为自旋阀结构所用的非铁磁金属隔离层。虽然显示的是Cu，但是也能够使用导电性高的其他非铁磁金属材料，比如银(Ag)、金(Au)以及它们的合金。扎钉铁磁层70也是一个层状结构，包括直接在Cu隔离层65之上的第一铁磁薄膜72、在第一薄膜72上沉积的Ru AFC薄膜73以及Ru AFC薄膜73上的第二铁磁薄膜74。从自由铁磁层90沉积期间的外加磁场旋转大约90度，在这种外加磁场存在的情况下，沉积两层扎钉铁磁薄膜72、74。在第二薄膜74上沉积反铁磁铁-锰(Fe-Mn)薄膜66，与第二薄膜74交换耦合。其他适当的反铁磁层包括Ir-Mn、Pt-Mn、Pd-Mn和Ni-Mn。最后，在Fe-Mn薄膜66之上形成保护层67。适当的保护材料为高电阻材料，比如Ta、锆(Zr)、Cu和A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性器件，包括相互反铁磁耦合的第一和第二铁磁薄膜，以及位于所述第一和第二铁磁薄膜之间的反铁磁耦合薄膜，所述反铁磁耦合薄膜由含Ｒｕ和Ｆｅ的合金制成。

【技术特征摘要】
US 2003-6-24 10/602,5041.一种磁性器件，包括相互反铁磁耦合的第一和第二铁磁薄膜，以及位于所述第一和第二铁磁薄膜之间的反铁磁耦合薄膜，所述反铁磁耦合薄膜由含Ru和Fe的合金制成。2.根据权利要求1的磁性器件，其特征在于，所述第一和第二铁磁薄膜中的每一层都由含Co的合金制成。3.根据权利要求1的磁性器件，其特征在于，含Ru和Fe的合金是基本上由Ru和Fe组成、并且成分为Ru100-xFex的合金，其中x是大约10和大约60之间的原子百分比。4.根据权利要求1的磁性器件，进一步包括扎钉铁磁层，在不存在所关注范围内的磁场时，使其磁矩固定在优选方向上；自由铁磁层，在存在着所关注范围内的磁场时，使其磁矩相对于所述扎钉铁磁层的磁矩自由旋转；以及非磁性隔离层，位于所述扎钉铁磁层和所述自由铁磁层之间并与二者接触；其中所述扎钉铁磁层和所述自由铁磁层中的至少一个包含所述反铁磁耦合的第一和第二铁磁薄膜以及所述反铁磁耦合薄膜。5.根据权利要求4的磁性器件，其特征在于，所述磁性器件是磁阻自旋阀传感器，并且所述非磁性隔离层由金属导电材料制成。6.根据权利要求4的磁性器件，其特征在于，所述磁性器件是磁沟道结器件，而且所述非磁性隔离层由电绝缘材料制成。7.一种磁阻自旋阀传感器，包括基底；固定铁磁层，所述固定铁磁层在所述基底上形成，并且在不存在外加磁场时，使其磁化方向磁矩扎钉在...

【专利技术属性】
技术研发人员：玛丽F朵尔纳，埃里克E弗勒顿，
申请(专利权)人：日立环球储存科技荷兰有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]