[发明专利]铁磁隧道结元件、磁记录装置以及磁存储器装置

说明书

技术领域

本发明涉及铁磁隧道结元件，其中所述铁磁隧道结元件是电阻随所 施加的磁场变化的磁阻效应元件。

背景技术

铁磁隧道结元件具有铁磁金属/绝缘层/铁磁金属结构以及其中的绝 缘层，所述绝缘层产生电子可以通过隧道效应穿过的能量势垒。在本说 明书中，“/”意指“和”。对于铁磁隧道结元件，隧道概率(隧道阻抗)依 赖于上和下磁层的磁化状态。这意味着，可以通过施加外部磁场控制铁 磁金属的磁化状态来控制隧道阻抗。典型的是，铁磁隧道结元件具有钉 扎层(pinned layer)/绝缘层/自由层结构。绝缘层夹在钉扎层和自由层之 间，所述钉扎层不容易受外部磁场影响，而在所述自由层中磁化方向容 易在外部磁场影响下被切换(toggle)。

对于铁磁隧道结，隧道磁阻(TuMR)效应带来比各向异性磁阻 (AMR)效应更高的磁阻变化率(MR率)和巨磁阻(GMR)。为此，应 用铁磁隧道结元件的磁头被期望成为用于以更高分辨率进行磁记录/再现 的有效工具(参见日本专利No.2871670)。

例如，已经提供了具有Fe/MgO/Fe分层体，换言之，具有由氧化镁 氧化物制成的绝缘层和由单晶体Fe制成的铁磁层的铁磁隧道结元件(参 见非专利文献1；Yuasa等，Nature Materials vol.3，2004，p.868-p.871)。已知 存在这样的问题，在环境温度下铁磁隧道结元件表现出200％或者更高的 高MR率。因为其部分由MgO制成的铁磁隧道结元件产生特别大量的再 现输出，所以其被预期为一种用于磁头等的理想材料。

对于其绝缘层由MgO制成的铁磁隧道结元件，CoFe或CoFeB用于 自由层的接触。由于MR率，相对于CoFe，CoFeB在特定强度的外部磁 场下可驱动更大的阻抗变化。然而，在铁磁隧道结元件的自由层被构建 为单层结构的情况中，矫顽磁性(coercivity)倾向于更大，这使得软磁 属性较差。这带来了这样的问题，如果应用弱外部磁场，则不会转换自 由层的磁化方向，并因此不会改变阻抗。为了解决该问题，通常在CoFeB 层上形成诸如NiFe层的具有高软磁属性的层。

然而，与未形成具有高软磁属性的层的情况相比较，淀积具有高软 磁属性的层显著阻止了MR率。对于CoFeB，这种阻止更加明显。从实 践角度来看，通常在隧道阻抗为3Ωμm²的情况下，要求MR率为60％或 更大。然而，对于其中在自由层上形成了具有高软磁属性的层的结结构， 这种MR率是不可获得的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供具有高MR率的铁磁隧道结元件，其中 在外部磁场的影响下可以容易地改变自由层的磁化方向。

根据实施方式的一个方面，提供一种铁磁隧道结元件，该铁磁隧道 结元件包括：钉扎层，该钉扎层中保持至少部分磁化方向；形成在该钉 扎层上的绝缘层，该绝缘层创建电子能够通过隧道效应流过的能量势垒； 以及形成在该绝缘层上且由包含硼原子的第一铁磁材料制成的第一自由 层。该第一自由层的磁化方向在外部磁场的影响下转换。在该第一自由 层上形成有第二自由层。该第二自由层的磁化方向在该外部磁场的影响 下转换，且与该第一自由层交换并耦合。该第二自由层由包含硼原子的 第二铁磁材料制成。

附图说明

图1A和图1B分别示出本发明的第一实施例中铁磁隧道结元件的横 截面图和平面图。

图2示出在衬底上淀积的晶体层的XRD衍射的实施例。

图3A和图3B是示出铁磁隧道结元件的实施例的生成方法的横截面 图。

图4是示出具有适合于铁磁隧道结元件的、悬浮在磁记录介质上方 的磁头的示例性头滑块的横截面图。

图5是示出图4中所示的头滑块的部分的横截面图。

图6是示出具有包括实施例中的铁磁隧道结元件的磁头的磁记录装 置的部分的图。

图7A是示出应用实施例中的铁磁隧道结元件的磁随机存取存储器 (MRAM)的横截面图，而图7B是其等效电路原理图。

图8例示了MR率的测量方法。

图9示出第一实施例中的铁磁隧道结元件的磁阻曲线。

具体实施方式