磁阻器件、磁头、磁存储设备以及磁存储器的制作方法

xiaoxiao2020-8-1  6

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专利名称:磁阻器件、磁头、磁存储设备以及磁存储器的制作方法
技术领域
本发明涉及一种用于再现磁记录介质或存储器件中的信息的磁阻器件,尤其涉及一种电流垂直于平面(CPP)的磁阻器件,其中感测电流在垂直通过多层平面的方向上流动。
背景技术
近年以来, 一直将巨磁阻(GMR)器件用作磁存储设备中磁头的信息再 现器件,以再现磁记录介质中的信息。GMR器件利用巨磁阻效应,即外部 磁场引起电阻变化。当再现磁记录介质的信息时,通过GMR器件检测从磁 记录介质泄漏的磁场的方向变化并将其转换为电阻的变化。随着高密度记录 技术的发展,使用自旋阀膜结构的磁阻器件成为主流。自旋阀膜结构是一种 多层结构,包括磁化被钉扎层(magnetization pinned layer),其磁化被钉 扎或固定在预定方向上;非磁层;以及磁化自由层,其磁化可响应从磁记录 介质泄漏的磁场的方向或强度而旋转。自旋阀膜结构的电阻根据磁化被钉扎 层与磁化自由层的磁化方向之间的角度而变化。通过向自旋阀膜结构提供感 测电流,检测电阻变化作为电压变化,再现出记录在磁记录介质中的位值(bit value) o传统上在磁阻器件中使用CIP (电流在平面内)结构,其中感测电流在 自旋阀的平面方向上流动。但是,为了实现更高的记录密度,当前要求增加 磁记录介质的线性记录密度和轨道密度。为了满足这样的要求,对于磁阻器 件必须降低由器件宽度(对应于磁记录介质的轨道宽度)与器件高度(对应 于磁记录介质中的位长度)限定的横截面积。由于CIP结构中感测电流大, 所以器件的性能会因为自旋阀膜结构中所用材料内的迁移(migration)而下 降。为了克服这个问题,提出了CPP结构,其中感测电流在垂直通过磁化被 钉扎层、非磁层以及磁化自由层的方向上流动。实际上,因为CPP磁阻器件有可能成为下一代信息再现器件,所以对它作了大量研究。因为即使降低磁 心宽度(自旋阀与磁记录介质轨道宽度对应的宽度),输出电压也是恒定的,所以CPP自旋阀膜结构适合于高密度记录。CPP自旋阀的输出电平(level)由将外部磁场以从一个方向向相反的方 向扫过的方式提供给自旋阀时发生的每单位面积磁阻的变化量确定。每单位 面积磁阻的变化量等于自旋阀磁阻的变化量与自旋阀的膜面积的乘积。为了 增加每单位面积磁阻的变化量,必须对磁化自由层和磁化被钉扎层采用自旋 相关体散射系数与电阻率的乘积数值大的材料。自旋相关体散射是这样一种 现象,即在磁化自由层或者磁化被钉扎层中传导电子散射的程度根据传导电 子的自旋方向而变化。磁阻的变化量随着自旋相关体散射系数的增加而增 加。自旋相关体散射系数大的材料例如有(Co2Fe)咖.xGex (0《X《30 at.%) 以及Co-Fe-Al。例如参见JP 2006-73688 A。但是,如果在将来随着记录密度的提高进一步縮小读取间隙,那么即使 在磁化自由层或者磁化被钉扎层中使用上述材料,对磁阻变化的灵敏度也会 不足。发明内容在实施例的一个方案中, 一种电流垂直平面(CPP)磁阻器件包括磁 化被钉扎层;磁化自由层;以及非磁层,插入在所述磁化被钉扎层与所述磁 化自由层之间;并且所述磁化自由层和所述磁化被钉扎层的至少其中一个由 CoFeGe形成,所述CoFeGe的成分落入三元成分图表中由连接坐标点A、 B、 C、 D的线段所限定的范围内,三元成分图表的三个轴用原子百分比(at.%) 表示钴(Co)成分、铁(Fe)成分和锗(Ge)成分,其中点A为(42.5, 30, 27.5),点B为(35, 52.5, 12.5),点C为(57.5, 30, 12.5),点D为(45.0, 27.5, 27.5)。在实施例的另一方案中, 一种磁头包括衬底,形成磁头滑动器的基底; 以及如上所述的磁阻器件,形成在所述衬底上。在实施例的再一方案中, 一种磁存储设备包括磁记录介质;以及磁头, 配置为读取记录在所述磁记录介质中的信息,所述磁头包括如上所述的磁阻 器件。在实施例的又一方案中, 一种磁存储器器件包括存储器元件,具有CPP 型磁阻效应膜,所述磁阻效应膜包括磁化被钉扎层、磁化自由层以及设置在 所述磁化被钉扎层与所述磁化自由层之间的非磁层;写入单元,配置为通过 向位线和字线提供电流以产生提供给所述磁阻效应膜的磁场,或者通过向所 述磁阻效应膜提供自旋极化电流,来确定所述磁化自由层的磁化方向;以及 读取单元,配置为向所述磁阻器件提供感测电流,以感测电阻;其中,所述 磁化自由层和所述磁化被钉扎层中的至少一个由CoFeGe形成,以及其中, 所述CoFeGe的成分落入三元成分图表中由连接坐标点A、 B、 C、 D的线段 所限定的范围内,其中点A为(42.5, 30, 27.5),点B为(35, 52.5, 12.5), 点C为(57.5, 30.0, 12.5),点D为(45.0, 27.5, 27.5),并且其中各坐 标点由用原子百分比(at.%)表示的(Co, Fe, Ge)的含量百分比来表示。利用本发朋,能够获得较高的MR比,并提高磁阻器件的输出电平。


图1示出根据本发明第一实施例的磁头朝向记录介质的功能表面的主要 部分;图2示出构成本发明第一实施例的磁阻器件的GMR膜的实例1的横截 面结构;图3示出构成本发明第一实施例的磁阻器件的GMR膜的实例2的横截 面结构;图4示出构成本发明第一实施例的磁阻器件的GMR膜的实例3的横截 面结构;图5示出构成本发明第一实施例的磁阻器件的GMR膜的实例4的横截 面结构;图6示出构成本发明第一实施例的磁阻器件的GMR膜的实例5的横截 面结构;图7示出构成本发明第一实施例的磁阻器件的GMR膜的实例6的横截 面结构;图8为示出实例2的GMR膜的磁化自由层的不同样品的成分和MR比 的表格;图9为示出用于磁化自由层的CoFeGe膜的成分的优选范围的三元成分 图表;图IO示出构成本发明第二实施例的磁阻器件的TMR膜的实例1的横截 面结构;图11示出构成本发明第二实施例的磁阻器件的TMR膜的实例2的横截 面结构;图12示出构成本发明第二实施例的磁阻器件的TMR膜的实例3的横截 面结构;图13示出构成本发明第二实施例的磁阻器件的TMR膜的实例4的横截 面结构;图14示出构成本发明第二实施例的磁阻器件的TMR膜的实例5的横截 面结构;图15示出构成本发明第二实施例的磁阻器件的TMR膜的实例6的横截 面结构;图16为根据本发明第三实施例的磁存储设备的主要部分的示意性平面图;图17A为根据本发明第四实施例的磁存储器的实例1的示意性横截面图;图17B为示出图17A中所示磁存储器中使用的GMR膜的结构的示意图;图18为图17A中所示的磁存储器的实例1的存储器单元的等效电路图; 图19示出图17A中所示的实例1的变型中使用的TMR膜的横截面结构;以及图20为根据本发明第四实施例的磁存储器的实例2的示意性横截面图。
具体实施方式
以下参照附图描述各优选实施例的细节。这些实施例提供的高输出、高 灵敏度磁阻器件具有高MR比,使器件能够对磁阻的变化保持足够的灵敏度。 这些实施例还提供所述磁阻器件的应用,包括磁头、磁存储设备以及磁存储 器。为此,用具有特定成分范围的CoFeGe形成磁阻器件的磁化自由层和磁化被钉扎层中的至少一个。在说明书中,"每单位面积磁阻的变化量ARA"可称为"磁阻变化ARA"或者简称为"ARA"。<第一实施例>图1为示出根据本发明第一实施例的混合磁头10的横截面结构的示意 图。磁头10包括磁阻器件20和感应式写入器件13。箭头X表示磁记录介 质(未示出)朝向磁阻器件的运动方向。磁阻器件20形成在用作磁头滑动 器(未示出)的基底的平坦陶瓷(例如Al203-TiC)衬底11上。感应式写入 器件13形成在磁阻器件20上。感应式写入器件13包括顶磁极14、底磁极16以及写入间隙层15,顶 磁极14的宽度与面对的磁记录介质的轨道宽度相对应,底磁极16与顶磁极 14平行地延伸,写入间隙层15由非磁材料形成,插入在顶磁极14与底磁极 16之间。感应式写入器件13还包括与顶磁极14、底磁极16磁连接的轭部 (未示出)以及缠绕轭部的线圈(未示出)。流过线圈的写入电流感应出磁 场以写入信息。顶磁极14、底磁极16以及轭部由软磁材料形成。软磁材料 优选从饱和磁通密度大的材料中选择,以保证要求的记录磁场,这样的材料 例如有Ni8oFe、 CoZrNb、 FeN、 FeSiN、 FeCo、 CoNiFe等等。应注意,感应 式写入器件13并不限于上述结构,而是可采用任意己知的结构。磁阻器件20包括底电极21、磁阻膜30 (下面称为"GMR膜30")、 氧化铝膜25以及顶电极22,它们依次层叠在形成于陶瓷衬底11上的氧化铝 膜12上。GMR膜30与底电极21、顶电极22分别电连接。磁畴控制膜24经由绝缘膜23形成在GMR膜30两侧。磁畴控制膜24 为Cr膜、CoCrPt以及CoPt膜的层叠物。设置磁畴控制膜24可使GMR膜 30中的磁化自由层(如图2所示)具有单磁畴,并防止巴克豪森噪声。底电 极21和顶电极22形成感测电流Is的电流通路,并用作磁屏蔽。因此,用例 如NiFe、 CoFe、 CoZrNb、 FeN、 FeSiN、 CoNiFe等软磁材料形成底电极21 和顶电极22。此外,在底电极21与GMR膜30之间的边界上可设置导电膜, 例如Cu膜、Ta膜、Ti膜等等。磁阻器件20和感应式写入器件13用氧化铝 膜、碳氢化物膜或其它合适的膜覆盖,以防止腐蚀。的强度和方向而变化。通过提供预定量的感测电流Is,磁阻器件20检测GMR 膜30的磁阻变化作为电压变化。基于检测到的数值,磁阻器件20再现出磁 记录介质中的信息。应注意,感测电流Is的流动方向不一定是图1所示的向 下的方向,也可以是相反的方向。磁记录介质的运动方向也可以反过来。图2为根据本发明第一实施例的磁阻器件中使用的第一实例(实例1) 的GMR膜的横截面图。实例1的GMR膜30具有所谓的单自旋阀结构,其 中依次连续地沉积缓冲层31、反铁磁层32、磁化被钉扎层叠物33、非磁金 属层37、磁化自由层38以及保护层39。通过溅射方法或其它合适的方法在 底电极21 (参见图l)的表面上形成缓冲层31。缓冲层31例如为NiCr膜、 Ta膜和Ru膜的层叠物、或者Ta膜(例如厚5 nm)和NiFe膜(例如厚5 nm) 的层叠物。对于后一种情况,NiFe膜中的Fe含量优选在17化%到25沈%的 范围内。利用NiFe膜或者Ru膜,反铁磁层32在(111)晶面(即NiFe膜 和Ru膜的晶体生长方向)以及晶体学(crystallographically)等价晶面上外 延生长。因此,反铁磁层32的结晶度得到改善。反铁磁层32例如由膜厚4 nm至30 nm、优选为4 nm至10 nm的Mn-TM 合金(TM包括Pt、 Pd、 Ni、 Ir和Rh中的至少其中一种)形成。Mn-TM合 金例如有PtMn、 PdMn、 NiMn、 IrMn和PtPdMn。反铁磁层32向磁化被钉 扎层叠物33的第一磁化被钉扎层34施加交换相互作用,将第一磁化被钉扎 层34的磁化固定在预定方向上。磁化被钉扎层叠物33包括所谓的合成铁被 钉扎结构(synthetic Ferri pinned structure),其中在反铁磁层32上依次沉积 第一磁化被钉扎层34、非磁耦合层35以及第二磁化被钉扎层36。在磁化被 钉扎层叠物33中,第一磁化被钉扎层34的磁化和第二磁化被钉扎层36的 磁化在反铁磁体中交换耦合,并且磁化方向相反。第一磁化被钉扎层34和第二磁化被钉扎层36都由包含Co、 Ni和Fe的 至少其中一种元素的铁磁材料形成,厚lnm至30nm。用于第一磁化被钉扎 层34和第二磁化被钉扎层36的合适的铁磁材料例如有CoFe、 CoFeB、 CoFeAl、 NiFe、 FeCoCu、 CoNiFe等等。第一磁化被钉扎层34和第二磁化 被钉扎层36不一定是单层膜,它们都可以是两层或两层以上的膜的层叠物。 在这种情况下,这些层叠物可以由同样的元素结合形成,但是元素的成分比 例不同,或者也可以由不同的元素结合形成。因为以下原因,优选用CoFeAl或CoFeGe形成第二磁化被钉扎层36。 CoFeAl和CoFeGe的自旋相关体散射系数/ 与软磁材料CoFe的相似,而与 其它软磁材料的自旋相关体散射系数相比,数值较大。例如C09。Feu)的自旋 相关体散射系数/ 为0.55,而Co5。Fe2。Al3o的自旋相关体散射系数〃为0.50。 另夕卜,CoFeAl和CoFeGe的电阻率/ 远远大于CoFe。例如,Co9。Feu)的电阻 率为20//Qcm,而Q)5oFe2oAl3o的电阻率为130//Qc附,是Co90Fe10的6倍, CosoFe2。Ge3。的电阻率为236/^^,比Co9oFeu)大11倍。因为磁阻变化ARA 取决于自旋相关体散射系数"与电阻率^的乘积,所以CoFeAl和CoFeGe的 △RA值远远大于CoFe。因此,在第二磁化被钉扎层36中使用CoFeAl或 CoFeGe能够大大增加ARA值。在这种情况下,CoFeGe膜和CoFeAl膜的 自旋相关体散射系数/ 优选为等于或大于0.4 (々20.4)。由于CoFeAl和CoFeGe的电阻率^与成分比例关系不大,所以在器件制 造过程中能够容易地控制这些材料的成分,这是有利的。因为上述优点,磁 化自由层38也可以使用CoFeAl和CoFeGe。如果用CoFeGe制成第二磁化被钉扎层36,从增加ARA值(表示磁阻 的变化)的角度来看,优选地,CoFeGe成分存在于图9所示的三元成分图 表中由连接坐标点A、 B、 C、 D的线段所限定的区域内,其中,坐标点由原 子百分比(at.%)表示的(Co, Fe, Ge)成分所限定,点A为(42.5, 30, 27.5),点B为(35, 52.5, 12.5),点C为(57.5, 30, 12.5),点D为(45.0, 27.5, 27.5)。用于第一磁化被钉扎层34的软磁材料例如有Co6oFe4o和NiFe,这些材 料在低电阻率方面是合适的。由于第一磁化被钉扎层34的磁化与第二磁化 被钉扎层36的相反,所以第一磁化被钉扎层34用于减少ARA值。使用电 阻率低的铁磁材料能够防止ARA值降低。非磁耦合层35的厚度在这样一个范围内第一磁化被钉扎层34与第二 磁化被钉扎层36反铁磁地交换耦合。该范围为0.4 nm至1.5 nm(优选0.4 nm 至0.9 nm)。非磁耦合层35由非磁材料例如Ru、 Rh、 Ir、 Ru基合金、Rh 基合金、Ir基合金等形成。Ru基合金优选为Ru与从Co、 Cr、 Fe、 Ni和Mn 中选择的一种或多种材料的结合。虽然在附图中没有特别示出,但是在反铁磁层32与第一磁化被钉扎层34之间可插入铁磁连接层,其饱和磁通密度比第一磁化被钉扎层34更高。 这种配置能够增加第一磁化被钉扎层34与反铁磁层32之间的交换相互作 用,防止第一磁化被钉扎层34的磁化偏离预定方向或者与预定方向相反这 样的不希望的情况发生。非磁金属层37由膜厚例如为1.5 nm至10 nm的导电、非磁材料形成。 适用于非磁金属层37的导电材料例如有Cu、 Al等等。磁化自由层38设置在非磁金属层37上,由膜厚例如为2 nm至12 nm 的CoFeGe形成。如上所述,CoFeGe的自旋相关体散射系数与CoFe相似, 而电阻率远远大于CoFe。因此,与CoFe自由磁化层相比,磁化自由层38 的ARA值可增加。优选地,将CoFeGe的成分选择为处于图9所示的三元 成分图表中由连接坐标点A、 B、 C、 D的线段所限定的区域内,其中,点A 为(42.5, 30, 27.5),点B为(35, 52.5, 12.5),点C为(57.5, 30, 12.5), 点D为(45.0, 27.5, 27.5)。在这种情况下,能够获得比一种己知的何士 勒(Heusler)合金即(Co2Fe)跳xGex (0《X《30 at.%)更高的ARA值(磁 阻的变化),因此能够实现具有高输出电平的磁阻器件。可通过使用具有预定成分的CoFeGe合金靶或者三个单独的Co、 Fe、 Ge靶的溅射工艺,形成应用于磁化被钉扎(铁磁)层和磁化自由层的至少其 中一个的具有上述成分范围的CoFeGe层。对于后一种情况,可在联合溅射 工艺中使用三个靶,或者轮流地使用它们以形成CoFeGe多层结构。在另一 替代方案中,可将单靶结合双元素合金靶,并在同时放电过程中、或者在多 层层叠过程中使用这些靶。例如,可在联合溅射或者多层层叠中使用Co靶 和FeGe合金耙。保护层39由非磁、导电材料(例如包含Ru、 Cu、 Ta、 Au、 Al和W中任意一种元素的金属)形成,可具有由这些材料形成的多层结构。保护层39 防止进行热处理以获得下述的反铁磁层32的反铁磁性时磁化自由层38的氧 化。下面结合图2说明结构实例1的GMR膜30的形成。首先,用上述材料 通过溅射方法、气相沉积方法、CVD方法或者其它合适的方法形成从缓冲层 31向上到保护层39的各个层,得到多层结构。然后,在磁场中加热该多层结构。加热工艺的条件是通过提供1592KA/m的磁场,在真空环境下以250'C至32(TC加热大约2至4小时。在加热工艺 中, 一部分Mn-TM合金转化为有序合金(ordered alloy),从而出现反铁磁 性。通过在加热工艺中以预定方向提供磁场,将反铁磁层32的磁化方向设 定在预定方向,结果,利用反铁磁层32与磁化被钉扎层33之间的交换相互 作用将被钉扎层33的磁化固定在所需的方向上。然后,将从缓冲层31到保护层39的多层结构图案化为预定形状,以获 得GMR膜30,如图1所示。在下述的后续结构实例1-6中使用的GMR膜 也采用与本实例的GMR膜30相同的方法形成。由于后续结构实例中的磁化 自由层38像结构实例1 一样也用CoFeGe形成,所以能够获得ARA值大的 GMR膜结构,因此能够获得高输出电平的磁阻器件。图3为用于本发明第一实施例的磁阻器件20的结构实例2的GMR膜 40的横截面图。图3中与图2中相同的元件用相同的附图标记表示,并省略 对它们的描述。结构实例2的GMR膜40包括从底部依次连续沉积的缓冲层31、下反 铁磁层32、下磁化被钉扎层叠物33、下非磁金属层37、磁化自由层38、上 非磁金属层47、上磁化被钉扎层叠物43、上反铁磁层42以及保护层39。 GMR膜40具有所谓的双自旋阀结构,其中在图2所示的结构实例1的GMR 膜30的磁化自由层38与保护层39之间插入上非磁金属层47、上磁化被钉 扎层叠物43以及上反铁磁层42。由于下反铁磁层32、下磁化被钉扎层叠物 33以及下非磁金属层34分别用与图2所示的结构实例1的GMR膜30的反 铁磁层32、磁化被钉扎层33以及非磁金属层34相同的材料形成,并且膜厚 相同,所以它们用相同的附图标记表示。上非磁金属层47和上反铁磁层42 可分别用与下非磁金属层37和下反铁磁层32相同的材料形成,并且膜厚也 可设定在相同的范围内。上磁化被钉扎层叠物43具有所谓的合成铁被钉扎 结构,其中在上反铁磁层42上依次连续层叠上第一磁化被钉扎层44、上非 磁连接层45以及第二磁化被钉扎层46。上第一磁化被钉扎层44、上非磁连 接层45以及第二磁化被钉扎层46分别用与下第一磁化被钉扎层34、下非磁 连接层35以及下第二磁化被钉扎层36相同的材料形成,并且膜厚也设定在 相同的范围内。GMR膜40的磁化自由层38由具有以与图2所示的GMR膜30的磁化自由层38同样方式确定的合适的成分范围的CoFeGe制成,并且由于与结构 实例1中同样的原因,具有GMR膜40的磁阻器件20的磁阻变化量ARA 大。此外,GMR膜40具有包括下自旋阀和上自旋阀的双自旋阀结构,下自 旋阀包括下磁化被钉扎层叠物33、下非磁金属层37和磁化自由层38,上自 旋阔包括磁化自由层38、上非磁金属层47和上磁化被钉扎层叠物43。因此, GMR膜40的磁阻变化总量ARA增加为结构实例1的GMR膜30的ARA 值的两倍。与使用结构实例1的GMR膜30相比,将GMR膜40用于磁阻 器件时在磁阻器件中获得的输出电平更高。应注意,GMR膜40的制造方法 与结构实例1的GMR膜30相同,所以这里省略其说明。图4为用于本发明第一实施例的磁阻器件20的结构实例3的GMR膜 50的横截面图。结构实例3的GMR膜50是结构实例2的GMR膜40的改 型,包括将磁化自由层38夹在中间的第一、第二界面磁层52、 53。第一、 第二界面磁层52、 53防止锗(Ge)原子从磁化自由层38向非磁层37、 47 扩散。换而言之,GMR膜50包括磁化自由层叠物51,代替了图3中GMR膜 40的磁化自由层38 (结构实例2)。更确切地说,GMR膜50包括从底部依 次连续沉积的缓冲层31、下反铁磁层32、下磁化被钉扎层叠物33、下非磁 金属层37、磁化自由层叠物51、上非磁金属层47、上磁化被钉扎层叠物43、 上反铁磁层42以及保护层39。与图3中同样的元件用同样的附图标记表示, 并省略对它们的说明。磁化自由层叠物51包括依次配置在下非磁金属层37上的第一界面磁层 52、磁化自由层38以及第二界面磁层53。磁化自由层38由具有与图2所示 的结构实例1的GMR膜30同样成分范围的CoFeGe形成。第一、第二界面 磁层52、 53都由软磁材料制成,厚度例如为0.2nm至2.5nm。优选地,第 一、第二界面磁层52、53由自旋相关界面散射系数比CoFeGe大的材料形成。 这样的材料例如有CoFe、 CoFe合金、NiFe以及NiFe合金。CoFe合金包括 CoFeNi、 CoFeCu、 CoFeCr、 CoFeAl等等。NiFe合金包括NiFeCu、 NiFeCr 等等。通过设置这对具有大的自旋相关界面散射系数值的软磁材料膜将磁化 自由层38夹在中间,提高了磁化自由层叠物51的磁阻变化ARA。第一、第二界面磁层52、 53可由成分相同的同样材料形成、也可由包含的元素相同但是成分不同的材料形成,或者由包含不同元素的不同材料形成。此外,第一、第二界面磁层52、 53可由成分比例与磁化自由层38不同 的CoFeGe制成。例如,可将矫顽磁性比磁化自由层38更高的CoFeGe用于 第一、第二界面磁层52、 53。结构实例3的GMR膜50与结构实例2的GMR膜40有同样的效应和 优点,并且因为插入第一、第二界面磁层52、 53将磁化自由层38夹在中间, 所以磁阻变化ARA增加。图5为用于本发明第一实施例的磁阻器件20的结构实例4的GMR膜 60的横截面图。结构实例4的GMR膜60是图3所示结构实例2的GMR膜 40的改型。与图3中同样的元件用同样的附图标记表示,并省略对它们的说 明。在结构实例4的GMR膜60中,在第二下磁化被钉扎层36与下非磁金 属层37之间插入第三界面磁层63,在第二上磁化被钉扎层46与上非磁金属 层47之间插入第四界面磁层64。换而言之,GMR膜60包括下磁化被钉扎 层叠物61和上磁化被钉扎层叠物62,代替了图3所示的结构实例2的GMR 膜40的下磁化被钉扎层叠物33和上磁化被钉扎层叠物43。因此,GMR膜 60包括从底部依次连续沉积的缓冲层31、下反铁磁层32、下磁化被钉扎层 叠物61、下非磁金属层37、磁化自由层38、上非磁金属层47、上磁化被钉 扎层叠物62、上反铁磁层42以及保护层39。下磁化被钉扎层叠物61包括设置在下第二磁化层36与下非磁金属层37 之间的第一界面磁层63。上磁化被钉扎层叠物62包括设置在上非磁金属层 47与上第二磁化层46之间的第二界面磁层64。第一、第二界面磁层63、 64 都由铁磁材料形成,厚度范围从0.2nm到2.5nm。优选地,第一、第二界面 磁层63、 64的自旋相关界面散射系数都比CoFeGe的大。这样的材料例如有 CoFe、 CoFe合金、NiFe以及NiFe合金。CoFe合金包括CoFeNi、 CoFeCu、 CoFeCr、 CoFeAl等等。NiFe合金包括NiFeCu、 NiFeCr等等。通过这样的 配置,可增加磁阻变化ARA。第一、第二界面磁层63、 64可由成分相同的同样材料形成,或者由包 含的元素相同但是成分不同的材料形成。结构实例4的GMR膜60与结构实例2的GMR膜40有同样的效应和优点,并且因为具有第一、第二界面磁层63、 64,所以磁阻变化ARA增加。图6为用于本发明第一实施例的磁阻器件20的结构实例5的GMR膜 65A的横截面图。本实例的GMR膜65A是结构实例4的GMR膜60的改型。 在该结构中,将第二下磁化被钉扎层36配置在第二界面磁层63与第一铁磁 连接层68之间,将第二上磁化被钉扎层46配置在第三界面磁层64与第四 铁磁连接层69之间。结构实例5的GMR膜65A包括从底部依次连续沉积的缓冲层31、下反 铁磁层32、下磁化被钉扎层叠物66、下非磁金属层37、磁化自由层38、上 非磁金属层47、上磁化被钉扎层叠物67、上反铁磁层42以及保护层39。下 磁化被钉扎层叠物66包括设置在下非磁耦合层35与第二下磁化被钉扎层36 之间的第一铁磁连接层68,上磁化被钉扎层叠物67包括设置在第二上磁化 被钉扎层46与上非磁耦合层45之间的第二铁磁连接层69。第一、第四铁磁连接层68、 69的厚度范围都是从0.2nm到2.5nm,并 且都由包含Co、 Ni和Fe的至少其中一种元素的铁磁材料制成。这样的材料 例如有CoFe、 CoFeB以及CoNiFe。第一铁磁连接层68和第四铁磁连接层 69分别由饱和磁化比第二下磁化被钉扎层36和第二上磁化被钉扎层46大的 铁磁材料制成。这种配置增加了第一铁磁连接层68与第一下磁化被钉扎层 34之间、以及第四铁磁连接层69与第一上磁化被钉扎层44之间的交换耦合。 结果,稳定了第二下磁化被钉扎层36和第二上磁化被钉扎层46的磁化方向, 并且磁阻变化ARA变得可靠。结构实例5的GMR膜65A与结构实例4的GMR膜60有同样的效应和 优点。此外,因为插入第一、第四铁磁连接层68、 69,所以磁阻变化ARA 变稳定。图7为用于本发明第一实施例的磁阻器件20的结构实例6的GMR膜 65B的横截面图。本实例的GMR膜65B是结构实例3的GMR膜50与结构 实例5的GMR膜65A的结合。GMR膜65B包括从底部依次连续沉积的缓 冲层31、下反铁磁层32、下磁化被钉扎层叠物66、下非磁金属层37、磁化 自由层叠物51、上非磁金属层47、上磁化被钉扎层叠物67、上反铁磁层42 以及保护层39。磁化自由层叠物51配置在下非磁金属层37上,包括从底部 依次沉积的第一界面磁层52、磁化自由层38以及第二界面磁层53。本实例中,如果磁化自由层38、第二下磁化被钉扎层36、第二上磁化 被钉扎层46由CoFeGe形成,则在这些磁化被钉扎层与非磁金属层37和47 之间的所有边界中以每条边界一个的方式插入界面磁层52、 53、 63和64。 此外,在下磁化被钉扎层叠物66中,在第二下磁化被钉扎层36与下非磁耦 合层35之间插入第一铁磁连接层68;在上磁化被钉扎层叠物67中,在第二 上磁化被钉扎层46与上非磁耦合层45之间插入第二铁磁连接层69。这种配 置能够最有效地增加GMR膜65B的磁阻变化ARA并使其稳定。虽然在第一实施例中描述了结构实例3至结构实例6的GMR膜是结构 实例2的双自旋阀GMR膜40的改型,但是结构实例3-6的配置也可以应用 于图2所示的结构实例1的单自旋阀GMR膜30的磁化自由层38和第二磁 化被钉扎层36。图8为示出用作图3所示结构实例2的GMR膜40的磁化自由层38的 CoFeGe膜中,具有不同的CoFeGe成分的样品No.l至No.20的MR比(%) 的测量结果的表格。各样品以如下方式制造。在覆盖有热氧化膜的硅衬底上形成层叠膜Qi (250 nm) /NiFe (50nm)作为底电极21 (参见图1)。然后,在不加热衬 底的条件下用溅射设备在超高真空环境(等于或小于2X10—6Pa)中形成从 缓冲层31开始向上到保护层39的层叠物。层叠物中各层的成分和膜厚在下 面列出。沉积之后,进行热处理以获得反铁磁层的反铁磁性。热处理的条件 是通过提供1952KA/m的磁场,以300'C加热3小时。然后,通过离子研磨 和光刻来加工该多层结构以获得层叠物。在实际工艺中,制造六种连接区域 尺寸不同(从0.1//附2到0.6/^2)的层叠物,对于每一种连接区域尺寸制造四 十(40)片层叠物。然后,在层叠物上形成二氧化硅膜。干蚀刻二氧化硅膜以暴露出保护层, 沉积Au膜形成与保护层接触的顶电极。各样品(No.l至No.20)中使用的 GMR膜40中的各个层的材料和厚度(在括号中)在下面列出。缓冲层31: Ru (4nm)下反铁磁层32: IrMn (7nm)第一下磁化被钉扎层34: Co6()Fe4Q (3.5 nm)下非磁耦合层35: Ru (0.7 nm)下第二磁化被钉扎层36: CoFeAl (5.0 nm) 下非磁金属层37: Cu (3.5 nm) 磁化自由层38: CoFeGe (4.5 nm) 上非磁金属层47: Cu (3.5 nm) 第二上磁化被钉扎层46: CoFeAl (3.0 nm) 上非磁耦合层45: Ru (0.7 nm) 第一上磁化被钉扎层44: Co6QFe4() (3.5 nm) 上反铁磁层42: IrMn (7nm) 保护层39: Ru (5nm)对各个样品(No.l至No.20)测量了磁阻变化AR,对各种连接区域尺 寸计算了平均磁阻(MR)比(用ARA/RA表示)。测量磁阻变化AR时, 感测电流为2 mA,外部磁场平行于上、下第二磁化被钉扎层36和36的磁 化方向,从-79KA/m扫描到79KA/m。用数字电压计测量底电极与顶电极之 间的电压,以获得磁阻曲线。然后,根据磁阻曲线的最大值与最小值之间的 差计算磁阻变化AR。根据在上述方向上从-7.9 KA/m到7.9 KA/m的范围内 扫描外部磁场获得的磁阻曲线的磁滞现象,也可估计磁化自由层38的矫顽 力。由图8的表格可知,在样品No.l至No.20中ARA在5mQ/z附2或以上, 或者说MR比在5%或以上。根据发明人的研究,样品No.l至No.20的磁阻 变化比包括CoFe磁化自由层的传统结构的磁阻变化大。将CoFeGe膜用于 第二上磁化被钉扎层46和第二下磁化被钉扎层36的至少其中一个,就能够 获得这样令人满意的MR比。图9为示出磁化自由层38的成分范围的Co、 Fe、 Ge三元成分图表,其 中将样品(No.l至No.20)的MR比(%)在与成分对应的坐标点处标出。 为了比较,将己知的Heusler合金的成分和对应的MR比也用粗虚线标出。已知Heusler合金的Co5()Fe25Ge25的MR比最大值为5.59%。相比而言, 根据本实施例成分在区域ABCD限定的范围内的CoFeGe磁化自由层38可 获得5.6%或以上的MR比。特别是那些Fe成分更高且Ge成分更低的样品 表现出令人满意的高MR比。明显可知,与传统合金(Co2Fe)H)o-xGex (0《X 《30 at.%)相比,成分范围限定在区域ABCD中的结构实例2的GMR膜40的MR比更高,因此更佳。总之,用于磁化自由层38的CoFeGe的优选成分范围在连接坐标点A、 B、 C、 D的区域内,设定各坐标点表示(Co, Fe, Ge)的含量百分比,其 中点A为(42.5, 30, 27.5),点B为(35, 52.5, 12.5),点C为(57.5, 30.0, 12.5),点D为(45.0, 27.5, 27.5)。该成分范围能获得比Co5。Fe25Ge25(即Heusler合金的成分)高的MR比,并提高关于信号磁场的输出。通过实验确定,当采用图7所示的实例6的多层结构,并将C045Fe35Ge2() 用于下、上第二磁化被钉扎层36和46以及磁化自由层38,并且在CoFeGe 膜的所有边界配置CoFe界面磁层时,MR比能够提高到最大值8.39%。根据 这个结果,可知在任一个CoFeGe膜与各个非磁层37、 47之间插入界面磁层(例如CoFe层)时,防止了Ge原子的扩散并获得高MR比。CoFeGe的自旋相关体散射系数与CoFe的自旋相关体散射系数一样大, 比其它软磁材料的自旋相关体散射系数的数值高。此外,CoFeGe的电阻率 是CoFe的八倍以上。与CoFe相比,将CoFeGe用于磁化自由层38以及接 触非磁金属层37 (或47)的磁化被钉扎层36 (或46)的至少其中一个,则 由自旋相关体散射系数与电阻率的乘积确定的磁阻变化变得较高。因此,能 够提高磁阻器件20的输出电平。这样,将具有由三元成分图表中的区域ABCD限定的成分范围的 CoFeGe用于磁化自由层38以及接触非磁金属层37 (或47)的磁化被钉扎 层36 (或46)的至少其中一个的磁阻器件20具有大的ARA值(表示每单 位面积的磁阻变化),并实现了高输出电平。随着Ge成分的增加,电阻率 也增加;但是,如果Ge成分超过27.5%,则磁矩突然下降,结果MR比降 低。另一方面,如果Ge成分低于12.5%,则与CoFe相比电阻率不能令人满 意,也不能提高MR比。因此,Ge成分的优选范围为从12.5n/。到27.5W。 <第二实施例>图10为用于根据本发明第二实施例的磁头的磁阻效应膜的示意性横截 面图。在第二实施例中,将隧道磁阻膜(下面称为TMR膜)用于磁阻器件, 代替第一实施例的GMR膜,其它结构和配置与第一实施例相同。因此,这 里省略对磁头的说明。图10-图15示出在第二实施例的磁阻器件20中使用的TMR膜的结构实例1-6。除了用非磁绝缘层37a和47a分别代替第一实施例中的非磁金属层 37和47之外,第二实施例的结构实例l-6的TMR膜70、 71、 72、 73、 74A 和74B与图2-图7中所示的GMR膜30、 40、 50、 60、 65A和65B具有相同的结构。非磁绝缘层37a和47a都具有膜厚例如为0.2 nm至2.0 nm,并且都由从 Mg、 Al、 Ti和Zr组成的群组中选择的物质的氧化物形成。氧化物的实例包 括MgO、 A10x、 TiOx和ZrOx,其中下标"X"表示成分可偏离化合物成分 (compound composition)。在这些氧化物材料中,结晶的MgO特别适合于 非磁绝缘层37a和47a。或者,非磁绝缘层37a和47a都由从Al、 Ti和Zr 组成的群组中选择的物质的氮化物或氮化物的混合物(nitride compound)形 成。这样的氮化物包括A1N、 TiN和ZrN。可通过溅射方法、CVD方法或者气相沉积方法直接在底层上形成非磁绝 缘层37a和47a;或者,通过溅射方法、CVD方法或者气相沉积方法在底层 上形成金属层,然后通过氧化或氮化工艺将金属层转化为金属氧化物或金属 氮化物。用与第一实施例测量ARA (表示每单位面积的磁阻变化)相同的方式获 得每单位面积隧道电阻的变化量。磁化自由层38和第二磁化被钉扎层36或 46的极化率越大,每单位面积隧道电阻的变化量越大。在此,极化率为铁磁 层(即磁化自由层38和第二磁化被钉扎层36、 46)经由绝缘层(即非磁绝 缘层37a和47a)的极化率。由于CoFeGe的自旋极化与传统使用的NiFe或 CoFe相同,所以希望像在第一实施例中一样,通过将CoFeGe用于磁化自由 层38和第二磁化被钉扎层36 (或47)的至少其中一个,增加每单位面积隧 道电阻的变化。还希望用CoFeAl制成第二磁化被钉扎层36 (或46),而将 CoFeGe用于磁化自由层38时,也能够增加每单位面积隧道电阻的变化。用于磁化自由层38的CoFeGe的成分范围与结合第一实施例说明的范围 相同,该范围在图9所示连接坐标点A、 B、 C、 D的线段所限定的区域内。 将成分范围设定在该区域内,能够以TMR膜实现高输出磁阻器件。在第二实施例中,结构实例3-5的TMR膜72、 73、 74A为图ll所示结 构实例2的TMR膜71的改型。这种双自旋阀TMR结构可用于图10所示 的TMR膜70的磁化自由层38和/或第二磁化被钉扎层36。此外,结构实例3的TMR膜72和结构实例5的TMR膜74A可结合起来获得图15所示的结 构实例6的TMR膜74B,这种结合能够获得最佳的输出电平。 <第三实施例>图16为根据本发明第三实施例的磁存储设备的平面图。磁存储设备90 的壳体91中容置了由心轴(未示出)驱动的中心轴(hub) 92、固定在中心 轴92上由心轴转动的磁记录介质93、致动器单元94、由致动器单元94支 撑的且在磁记录介质93的径向上驱动的悬臂(suspension) 96、以及由悬臂 96支撑的磁头98。磁记录介质93可以是平面内磁记录型或者垂直磁记录型,可以是具有 倾斜各向异性的记录介质。磁记录介质93不限于磁盘,也可以是磁带。磁头98包括磁阻器件20和形成在陶瓷衬底11上的感应式写入器件13, 如图1所示。感应式写入器件13可以是用于平面内记录的环型、用于垂直 记录的单磁极型、或者其它已知的类型。磁阻器件20具有第一实施例的结 构实例1-6的任一种GMR膜,也可以具有第二实施例的结构实例1-5的任 一种TMR膜。在每一种情况下,磁阻器件20都具有足够的每单位面积磁阻 变化量(ARA),或者具有大的隧道电阻变化量,以获得高输出电平。磁存 储设备90适合于高密度记录。应注意,第三实施例的磁存储设备的基本结 构仅仅是实例,且不限于图16所示的实例。 <第四实施例>图17A为第四实施例的结构实例1的磁存储器器件的横截面图。图17B 为示出图17A中使用的GMR膜30的结构的示意图。图18为磁存储器器件 的存储器单元的等效电路图。图17A中示出正交(?)坐标轴以指示方向。 Yl和Y2方向垂直于纸平面,Yl方向进入纸平面,而Y2方向从纸平面出来。 在下面的描述中,将某方向仅仅称为"X方向"时,该方向可以是X1方向 或者X2方向,对于"Y方向"和"Z方向"也是如此。在附图中,与前面 已经描述的同样的元件用同样的附图标记表示,并省略对它们的说明。本实例中磁存储器器件100包括多个排列成矩阵的存储器单元101。各 存储器单元101包括磁阻效应(GMR)膜30和金属氧化物半导体场效应晶 体管(MOSFET) 102。 MOSFET 102可使用p沟道MOSFET或者n沟道 MOSFET。这里,采用将电子用作载流子的n沟道MOSFET作为实例进行描述。MOSFET 102包括在硅衬底103中形成的含有p型杂质的p阱区104, 在p阱区104中的硅衬底103表面附近彼此独立地形成的杂质扩散区105a 和105b,在杂质扩散区105a和105b中已引入了 n型杂质。这里,杂质扩散 区105a用作源极S,另一个杂质扩散区105b用作漏极D。 MOSFET 102的 栅电极G形成在两个杂质扩散区105a与105b之间硅衬底103表面上的栅极 绝缘膜106上。MOSFET 102的源极S通过垂直布线114a和层内布线115与GMR膜 30的一侧(例如基层31)电连接。此外,板线108通过垂直布线114b与漏 极D电连接。用于读取的字线109与栅电极G电连接。或者,栅电极G也 可以充当字线109用于读取。位线110与GMR膜30的另一侧(例如保护膜 39)电连接。用于写入的字线111设置在GMR膜30下面,并与其相隔离。 GMR膜30的结构与图2所示的相同。在GMR膜30中,磁化自由层38的 易磁化轴和难磁化轴的取向分别沿着X轴和Y轴,如图17A所示。可通过 热处理或者根据形状各向异性形成易磁化轴的方向。在根据形状各向异性在 X轴方向上形成易磁化轴的情况下,GMR膜30的平行于其膜表面(或者平 行于X-Y平面)的横截面形状成为X方向上的边大于Y方向上的边的矩形。在磁存储器器件100中,用层间绝缘膜113 (例如氮化硅膜或二氧化硅 膜)覆盖硅衬底103的表面和栅电极G。除了上述电连接外,GMR膜30、 板线108、用于读取的字线109、位线IIO、用于写入的字线lll、垂直互连 114以及平面内互连115通过绝缘膜113互相电隔离。磁存储器器件100将信息保留在GMR膜30中。根据磁化自由层38的 磁化是平行于还是反平行于第二磁化被钉扎层36的磁化,保留的信息表示 不同的值。接着说明磁存储器器件100的读取和写入操作。将信息写入磁存储器器 件100的GMR膜30中时,使用分别在GMR膜30上、下延伸的位线110 和用于写入的字线111。位线110在GMR膜30上沿X方向延伸。通过向位 线110提供电流,则在Y方向上将磁场提供给GMR膜30。用于写入的字线 111在GMR膜30下沿Y方向延伸。通过向用于写入的字线111提供电流, 则在X方向上将磁场提供给GMR膜30。当实质上没有提供磁场时,GMR 膜30的磁化自由层38的磁化沿着X方向(例如X2方向),并且这个磁化方向是稳定的。将信息写入GMR膜30中时,电流同时提供给位线IIO和用于写入的字 线lll。例如,为了使磁化自由层38的磁化沿着X1方向,在Y1方向上将 电流提供给写入字线111。结果,GMR膜30中的磁场取向为X1方向。此 时,提供给位线110的电流方向可以是X1方向或者X2方向。流过位线IIO 的电流在GMR膜30中产生的磁场沿着Y1方向或者Y2方向,并且充当一 部分磁场用于磁化自由层38的磁化,以越过难磁化轴的屏障(barrier)。也 就是说,作为同时向磁化自由层38的磁化提供X1方向上的磁场和Yl或Y2 方向上的磁场的结果,磁化自由层38的取向为X2方向的磁化反转到XI方 向。去除磁场后,磁化自由层38的磁化保留X1方向的取向并保持稳定,除 非提供下一次写入操作的磁场或者用于擦除的磁场。这样,根据磁化自由层38的磁化方向,在GMR膜30中记录"1"或"0"。 例如,当第二磁化被钉扎层36的磁化方向为XI方向时,如果磁化自由层 38的磁化方向为XI方向(低隧道电阻状态),则记录"1",如果磁化自 由层38的磁化方向为X2方向(高隧道电阻状态),则记录"O"。在写入操作中提供给位线IIO和写入字线111的电流的大小被选择为, 使得单独提供给位线IIO和写入字线111的其中一个的电流不会反转磁化自 由层38的磁化。结果,仅仅在提供了电流的位线110和提供了电流的用于 写入的字线111的交叉点处的GMR膜30的磁化自由层38的磁化中进行记 录。将源极S侧设定为高阻抗,以防止在写入操作中当使电流流过位线110 时电流流过GMR膜30。在GMR膜30上进行磁存储器器件100的读取操作时,将关于源极S 的负电压提供给位线110,将比MOSFET102的阈值电压(正电压)高的电 压提供给读取字线109,即栅电极G。结果,MOSFET 102导通,电子通过 GMR膜30、源极S以及漏极D从位线IIO流向板线108。电流传感器118 (例如安培计)与板线108电连接,以读取与磁化自由层38的磁化关于第 二磁化被钉扎层36的磁化的方向相对应的磁阻值。通过这种方式,能够读 出GMR膜30保留的信息"1"或"0"。在第四实施例的结构实例1的磁存储器器件100中,GMR膜30的磁化 自由层38由CoFeGe形成,以获得大的磁阻变化ARA。这意味着对应于保留的"0"和"1"的磁阻值之间的差足够大,所以能确保准确的读出操作。由于GMR膜30的磁化自由层38中使用的CoFeGe的成分被选择在图9所 示的区域ABCD所限定的范围内,所以MR比高于C05。Fe2sAl25 (即Heusler 合金的成分)的MR比。可用图3至图7中所示的结构实例2-6中GMR膜 40、 50、 60、 65A和65B中的任一个代替磁存储器器件100中使用的GMR 膜30。图19为示出TMR膜70的结构的示意图,TMR膜70用于代替图17所 示的GMR膜30,作为结构实例1的磁存储器器件100的改型。TMR膜70 的基本结构与第二实施例的磁阻器件中使用的结构实例1的TMR膜的结构 相似。在TMR膜70中,缓冲层31与平面内互连115接触,保护膜与位线 110接触。此外,磁化自由层38的易磁化轴以与上述GMR膜30相同的方 式配置。采用TMR膜70的情况下磁存储器器件110的写入操作和读取操作 与采用GMR膜30的情况下相同,因此省略其描述。如第二实施例所述,TMR膜70表现出隧道电阻效应。因为磁化自由层 38由具有特定成分范围的CoFeGe形成,所以TMR膜70显示出大的隧道电 阻变化量。因此,磁存储器器件100能够以对应于保留在TMR膜中的值"O" 和"1"之间的差的足够大的隧道电阻变化量进行准确的读取操作。应注意, 在磁存储器器件中可使用图13至图15中所示的结构实例2-6的TMR膜中 的任一个。除了磁化自由层38之外,或者取代磁化自由层38,将具有特定成分范 围的CoFeGe用于第二磁化被钉扎层36和域46,能够获得相似或更大的效 应。图20为磁存储器器件120的横截面图,磁存储器器件120为第四实施 例的磁存储器器件的结构实例2。图20中,与前面实例中同样的元件用同样 的附图标记表示,并省略对它们的说明。磁存储器器件120在GMR膜30中 写入信息的机制和操作方面与结构实例1的磁存储器器件100不同。除了不设置写入字线111之外,磁存储器器件120的存储器单元的结构 与图17A、图17B所示的存储器单元101相同。下面参照图20以及图17B 给出更详细的说明。在磁存储器器件120的写入操作中,将自旋极化电流Iw注入GMR膜30。根据电流的方向,磁化自由层38的磁化关于第二磁化被钉扎层36的磁 化从平行反转为反平行或者从反平行反转为平行。自旋极化电流Iw为电子 流,其自旋磁矩取向为电子可取的两个可能方向中的一个。通过在GMR膜 30的Z,方向或Z2方向上将自旋极化电流Iw引入GMR膜30,在磁化自由 层38的磁化中产生转矩,导致所谓的自旋转换磁化反转。根据磁化自由层 38的膜厚适当地选择自旋极化电流Iw的大小,从几个mA到20mA。自旋 极化电流Iw小于在图17A所示的结构实例1的磁存储器器件的写入操作中 流过位线IIO和写入字线111的电流,因此,采用结构实例2的磁存储器器 件120能够降低功耗。通过将电流垂直提供给用一对铁磁层将铜(Cu)膜夹在中间的多层实体 (其结构与GMR膜30相似),能够产生自旋极化电流。通过将两个铁磁层 的磁化设定为彼此平行或反平行,能够控制电子的自旋磁矩的方向。磁存储 器器件120的读取操作与图17A所示的结构实例1的磁存储器器件IOO相同。因为除了结构实例1的磁存储器器件100的效应之外还具有低功耗的效 应,所以结构实例2的磁存储器器件120更有利。应注意,可用图3至图7 中所示的结构实例2-6中GMR膜40、 50、 60、 65A和65B中的任一个、或 者用图12至图15中所示的结构实例1-6中TMR膜中的任一个代替磁存储 器器件120中使用的GMR膜30。虽然用第四实施例的结构实例1和2的磁 存储器器件IOO和120中的MOSFET在读取和写入操作中控制电流的方向, 但是也可以用其它适当的手段控制电流的流动。通过在磁化自由层和磁化被钉扎层的至少其中一个中使用CoFeGe,以 及通过将CoFeGe层的成分选择在适当范围内,能够增加每单位面积磁阻的 变化量ARA。虽然基于优选实例进行了描述,但是本发明不限于这些实例,而是包括 落入由所附权利要求书限定的本发明的范围内的多个变型和替代。例如,第 三实施例中描述的盘形磁记录介质可用磁带代替。在这种情况下,将本发明 应用于磁带驱动器,即磁存储设备的另一个实例。虽然在本实施例中,对设 置有磁阻器件和写入器件的磁头进行了描述,但是本发明也可应用于有一个 以上磁阻器件而没有写入器件的磁头。本申请基于2007年2月19日提出的日本在先申请No.2007-038198,通 过参考将该申请的全部内容合并于此。
权利要求
1、一种CPP型磁阻器件,包括磁化被钉扎层;磁化自由层;以及非磁层,设置在所述磁化被钉扎层与所述磁化自由层之间;其中,所述磁化自由层和所述磁化被钉扎层中的至少一个由CoFeGe形成,以及其中,所述CoFeGe的成分落入三元成分图表中由连接坐标点A、B、C、D的线段所限定的范围内,其中点A为(42.5,30,27.5),点B为(35,52.5,12.5),点C为(57.5,30.0,12.5),点D为(45.0,27.5,27.5),并且其中各坐标点由用原子百分比(at.%)表示的(Co,Fe,Ge)的含量百分比来表示。
2、 如权利要求1所述的磁阻器件,其中,当所述磁化自由层和所述磁 化被钉扎层中的一个由CoFeGe形成时,另一个由CoFeGe或CoFeAl形成。
3、 如权利要求1所述的磁阻器件,还包括界面磁层,插入在所述非磁层与用于所述磁化自由层和所述磁化被钉扎 层中的至少一个的CoFeGe层之间。
4、 如权利要求1所述的磁阻器件,还包括对称设置的磁化被钉扎层,所述对称设置的磁化被钉扎层与所述磁化被 钉扎层关于所述磁化自由层对称;以及第二非磁层,插入在所述磁化自由层与所述对称设置的磁化被钉扎层之间;其中,所述磁化自由层、所述磁化被钉扎层以及所述对称设置的磁化被 钉扎层中的至少一个由具有所述成分的CoFeGe形成。
5、 如权利要求4所述的磁阻器件,还包括 第一界面磁层和第二界面磁层;其中,所述磁化自由层位于所述非磁层与所述第二非磁层之间,以及 其中,所述第一界面磁层设置在所述磁化自由层与所述非磁层之间,而 所述第二界面磁层设置在所述磁化自由层与所述第二非磁层之间。
6、 如权利要求3所述的磁阻器件,其中,所述界面磁层由包括CoxFe(K)o-x)(0《X《100at.%) 、 Ni8oFe或者CoFeAl的磁合金形成。
7、 如权利要求5所述的磁阻器件,其中,所述第一界面磁层和第二界 面磁层由包括CoxFe(1()().x) (0《X《100 at.%) 、 Ni犯Fe或者CoFeAl的磁合金 形成。
8、 如权利要求5所述的磁阻器件,其中,所述磁阻器件的MR比在5.6% 或以上。
9、 如权利要求1所述的磁阻器件,其中,所述CoFeGe的电阻率(;O 的范围从50^^到300//^附,自旋相关体散射系数(〃)在0.4或以上。
10、 如权利要求1所述的磁阻器件,其中,所述磁化被钉扎层包括第一 磁化被钉扎膜、第二磁化被钉扎膜、以及设置在所述第一磁化被钉扎膜与所 述第二磁化被钉扎膜之间的非磁耦合层。
11、 如权利要求10所述的磁阻器件,还包括界面磁层,设置在所述第二磁化被钉扎膜与所述非磁层之间;其中,所述磁化被钉扎层的所述第二磁化被钉扎膜位于靠近所述非磁层
12、 一种磁头,包括衬底,形成磁头滑动器的基底;以及如权利要求1所述的磁阻器件,形成在所述衬底上。
13、 一种磁存储设备,包括 磁记录介质;以及磁头,配置为读取记录在所述磁记录介质中的信息,所述磁头包括如权 利要求1所述的磁阻器件。
14、 一种磁存储器器件,包括存储器元件,具有CPP型磁阻效应膜,所述磁阻效应膜包括磁化被钉扎 层、磁化自由层以及设置在所述磁化被钉扎层与所述磁化自由层之间的非磁 层;写入单元,配置为通过向位线和字线提供电流以产生提供给所述磁阻效 应膜的磁场,或者通过向所述磁阻效应膜提供自旋极化电流,来确定所述磁 化自由层的磁化方向;以及读取单元,配置为向所述磁阻器件提供感测电流,以感测电阻;其中,所述磁化自由层和所述磁化被钉扎层中的至少一个由CoFeGe形 成,以及其中,所述CoFeGe的成分落入三元成分图表中由连接坐标点A、 B、 C、 D的线段所限定的范围内,其中点A为(42.5, 30, 27.5),点B为(35, 52.5, 12.5),点C为(57.5, 30.0, 12.5),点D为(45.0, 27.5, 27.5),并且其中各坐标点由用原子百分比(at.%)表示的(Co, Fe, Ge)的含量百 分比来表示。
15、如权利要求14所述的磁存储器器件,还包括 开关器件,连接到所述存储器元件的一端; 其中,所述位线连接到所述存储器元件的另一端。
全文摘要
一种CPP型磁阻器件,包括磁化被钉扎层;磁化自由层;以及非磁层,设置在所述磁化被钉扎层与所述磁化自由层之间。所述磁化自由层和所述磁化被钉扎层的至少其中一个由CoFeGe形成,所述CoFeGe的成分落入三元成分图表中由连接坐标点A、B、C、D的线段所限定的范围内,其中点A为(42.5,30,27.5),点B为(35,52.5,12.5),点C为(57.5,30.0,12.5),点D为(45.0,27.5,27.5),并且其中各坐标点由用原子百分比(at.%)表示的(Co,Fe,Ge)的含量百分比来表示。还提供包括上述磁阻器件的磁头、磁存储设备及磁存储器。能获得较高的MR比,并提高输出电平。
文档编号H01F10/32GK101252166SQ20081008043
公开日2008年8月27日 申请日期2008年2月19日 优先权日2007年2月19日
发明者城后新, 清水丰 申请人:富士通株式会社

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