[发明专利]磁性器件的制造方法和制造装置、以及磁性器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造磁性器件的方法、一种制造磁性器件的装置、及一种 磁性器件。

背景技术

利用巨磁(GMR)效应和隧穿磁阻(TMR)效应的磁阻元件的磁阻变化率 极高，由此应用于磁性传感器、磁性再生头、及磁性存储器之类的磁性器件中。

具有约6～15层人工晶格结构的磁阻元件包括具有可旋转自发磁化方向的 自由层、具有固定自发磁化方向的固定层、设置在固定层与自由层之间的非磁 性层、及包括相对于固定层的单方向各向异性的反铁磁层。

已知的反铁磁层包括锰铱(MnIr)薄膜和铂锰(PtMn)薄膜(例如，参考 专利文献1和2)。MnIr薄膜生成与固定层之间的强磁矫顽力(magnetic coercive force)。PtMn薄膜使得磁矫顽力的热稳定性优良。

一般使用单方向各向异性常数J_K来评价反铁磁层与固定层之间的磁矫顽 力。由公式J_K＝M_S·d_F·H_ex可获得包括反铁磁层和固定层的叠层薄膜的单方向各 向异性J_K。此处，M_S代表固定层的饱和磁化，d_F代表固定层的厚度，H_ex代表 磁滞曲线中的变化磁场的量级。

厚度为5～10纳米的超薄MnIr膜中，随着Mn和Ir的成分比变为3∶1，并 且晶体结构按照L1₂型排序，得到极大的单方向各向异性常数J_K。在Mn₃Ir薄 膜中，磁矫顽力消失温度，或所谓的阻截温度(blocking temperature)，为大 于等于360°。由此，Mn₃Ir薄膜具有关于磁性的较高热稳定性(专利文献3)。

一般地，使用高纯度的氩(Ar)气进行溅射而制造反铁磁层。溅射过程中 压力超过1.0(Pa)的高压溅射处理提高基底温度T_sub，并且藉此增大单方向各 向异性常数J_K。

图8示出了MnIr用作反铁磁层、CoFe用作固定层时的单方向各向异性常 数J_K。图8中，溅射压力为2.0(Pa)，基底温度T_sub为室温(20℃)～400℃。 此外，垂直轴代表单方向各向异性常数J_K，水平轴代表对主要组分为Mn和Ir 的靶所施加的电力密度P_D。

如图8所示，单方向各向异性常数J_K随着所施加的电力密度P_D增大而增 大。此外，当所施加电力密度P_D相同时，单方向各向异性常数J_K随着基底温 度T_sub增大而增大。叠层膜的单方向各向异性常数J_K在Mn和Ir的成分比为 3∶1的Mn₃Ir附近到达最大值。这一与所施加电力密度P_D的相关性意味着所施 加电力密度P_D的增大会使得MnIr薄膜的成分更接近Mn₃Ir。此外，与基底温 度T_sub的相关性意味着基底温度T_sub的升高会促进L1₂有序相的形成。

然而，使用上述高压处理形成反铁磁层会导致下列缺陷。溅射粒子中，Ir 粒子之类的粒子质量较大。倘若这类大质量粒子与Ar粒子碰撞，大质量粒子 的运动方向几乎不变。相反，当Mn粒子之类的小质量粒子与残留的Ar粒子碰 撞时，小质量粒子的运动方向容易改变。从而，高压处理会导致反铁磁层的成 分和膜厚度在基底平面内有较大变化。在厚度均匀性有要求且各层的允许厚度 变化范围小于等于1纳米的磁性器件中，反铁磁层的这一成分和膜厚度的变化 会极大地降低器件的磁特性。

可通过降低溅射压力来解决上述缺陷。然而，根据发明人进行的试验，当 溅射过程中的压力降低至小于等于0.1(Pa)时，无论所施加的电力密度P_D或 者基底温度T_sub如何，叠层膜都不能获得足够的单方向各向异性常数J_K。