[发明专利]隧道磁阻器件、其制造方法、磁头及磁存储器

说明书

相关申请的交叉参考

本申请基于并要求2006年11月14日申请的日本专利申请No.2006-307987的优先权，该申请的全部内容于此并入参考。

技术领域

本申请涉及一种隧道磁阻器件及其制造方法，并且更加特别地涉及一种随着外部磁场而改变电阻的隧道磁阻器件及其制造方法，该隧道磁阻器件可应用于磁记录设备的读出磁头(reproducing head)和磁存储器。

背景技术

在具有“金属/绝缘膜/金属”结构的结中，该结构由绝缘膜和将绝缘膜夹入中间的金属膜构成，当在相对的金属层上施加电压时，如果绝缘膜非常薄，那么有小的电流流过。通常，电流不流过绝缘膜。然而，如果绝缘膜非常薄，例如几nm或更薄，由于量子力学效应，电子以一定几率穿过绝缘膜。穿过绝缘膜的电子流称作“隧道电流”，并且其结构称作“隧道结”。

通常，将金属氧化物膜用作隧道结的绝缘膜。例如，通过自然氧化、等离子体氧化或热氧化铝的表面层，形成薄氧化铝绝缘膜。通过控制氧化条件，能够形成适用于隧道结并且具有几nm厚度的绝缘膜。

具有隧道结的器件表现出非线性电流-电压特性，并且用作非线性器件。

由铁磁材料制成相对金属层的隧道结结构称作“铁磁隧道结”。铁磁隧道结的隧穿几率(隧道电阻)依赖于相对铁磁材料的磁化状态。因此，通过施加外部磁场来控制磁化状态，可改变隧道电阻。隧道电阻R可用下面的方程式表示：

R＝Rs+0.5ΔR(1-cosθ)

其中，θ是相对铁磁材料的磁化方向之间的相对角。Rs表示在磁化方向的相对角θ为0时、也就是在磁化方向平行时的隧道电阻，而ΔR表示在磁化方向的相对角θ为180°时、也就是在磁化方向逆平行时的隧道电阻与在磁化方向平行时的隧道电阻之间的差异，。

隧道电阻随着铁磁材料的磁化方向而改变的现象，导致铁磁材料中电子极化。通常在金属中存在处于向上自旋状态的自旋向上电子以及处于向下自旋状态的自旋向下电子。在非磁性金属中，存在相同数量的自旋向上电子和自旋向下电子。因此总体上不表现磁性。在铁磁材料中，自旋向上电子的数量(Nup)与自旋向下电子的数量(Ndown)是不同的，以致于铁磁材料总体上表现出自旋向上磁性或自旋向下磁性。

众所周知，当电子通过隧道现象穿过势垒层时，电子保持其自旋状态。因此，如果在作为目的地的隧道(tunnel destination)铁电材料中存在空的电子量子能级，则电子能穿过势垒层。如果没有空的电子量子能极，则电子不能穿过势垒层。

隧道电阻的变化率ΔR/Rs用下面的方程式表示：

ΔR/Rs＝2P₁P₂/(1-P₁P₂)

其中，P₁和P₂是位于势垒层两侧的铁电材料的自旋极化率。自旋极化率由下面的方程式给出：

P＝2(Nup-Ndown)/(Nup+Ndown)

例如，NiFe、Co和CoFe的自旋极化率分别是0.3、0.34和0.46。因此，理论上可以实现约20％、26％和54％的隧道电阻变化率。隧道电阻的变化率大于通过各向异性磁阻(AMR)效应和巨磁阻(GMR)效应引起的电阻变化率。因此，期望使用隧道磁阻器件的磁头对于高分辨率的磁性记录/再现是有效的(例如，参考日本专利公开No.2871670)。

已经提出了隧道磁阻器件，其具有使用氧化镁(MgO)作为势垒层且使用单晶铁(Fe)作为铁电材料层的Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)层叠结构(参考Yuasa等人，Nature Materials vol.3(2004)p.868-p.871)。“(001)”表示单晶的(001)面朝向与衬底表面平行的方向。据报导，这样的隧道磁阻器件在室温下表现出200％或更高的隧道电阻变化率。