[发明专利]隧道磁阻器件和隧道磁阻读磁头

说明书

本发明公开了一种隧道磁阻(TMR)器件和隧道磁阻读磁头，例如磁记录盘驱动器读磁头，该TMR器件具有在MgO势垒层和包含硼的自由层和/或参考铁磁层之间的含氮层。在一个实施例中，自由铁磁层包括含硼层和在MgO势垒层与含硼层之间的三层纳米层结构。三层纳米层结构包括：与MgO层接触的薄的Co、Fe或CoFe第一纳米层，在第一纳米层上的薄的FeN或CoFeN第二纳米层，以及在FeN或CoFeN纳米层和含硼层之间的FeN或CoFeN纳米层上的薄的Co、Fe或CoFe第三纳米层。如果参考铁磁层还包括含硼层，则类似的三层纳米层结构可以位于含硼层和MgO势垒层之间。

技术领域

本发明总地涉及隧道磁阻(TMR)器件，并且更具体而言，涉及一种具有氧化镁(MgO)隧道势垒层和含硼铁磁层的TMR读磁头。

背景技术

隧道磁阻(TMR)器件，也被称为磁隧道结(MTJ)器件，包括由薄的绝缘隧道势垒层分隔的两个铁磁层。势垒层典型地由金属氧化物制成，所述金属氧化物足够薄使得在这两个铁磁层之间发生载流子的量子力学隧穿。虽然各种金属氧化物，诸如氧化铝(Al₂O₃)和氧化钛(TiO₂)，已经被提出作为隧道势垒材料，但最有可能的材料是结晶的氧化镁(MgO)。量子力学隧穿过程与电子自旋相关，这意味着：当跨过结施加传感电流时所测量的电阻取决于铁磁层和势垒层的自旋相关的电子特性，并且由这两个铁磁层的磁化的相对取向决定。铁磁层之一(其被称为参考层)的磁化被固定或钉扎，而另一铁磁层(被称为自由层)的磁化响应于外部磁场而自由旋转。它们的磁化的相对取向随外部磁场变化，从而导致电阻的改变。TMR器件可用作在非易失性磁性随机存取存储器(MRAM)阵列中的存储单元并用作在磁记录盘驱动器中的TMR读磁头。

图1示出常规的TMR读磁头10的剖视图。TMR读磁头10包括底部“被固定”或“被钉扎”参考铁磁(FM)层18、绝缘隧道势垒层20以及顶部“自由”FM层32。TMR读磁头10分别具有底部和顶部非磁性电极或引线12、14，底部非磁性电极12形成在适当的衬底上。FM层18被称为参考层，因为在TMR器件的感兴趣的期望范围内存在所施加的磁场(即，来自磁记录盘中的磁性层的记录区的磁场)时，FM层18的磁化被防止旋转。该参考FM层18的磁化可通过由高矫顽力膜形成或通过交换耦合到反铁磁(AF)“钉扎”层而被固定或钉扎。参考FM层18可以是反平行(AP)被钉扎或磁通闭合(flux-closure)结构的一部分，其中两个铁磁层由反平行耦合(APC)间隔层分隔，于是反平行耦合以形成磁通闭合，如在US5,465,185中所述。在感兴趣的范围内存在施加的磁场时，自由FM层32的磁化自由旋转。不存在施加的磁场时，FM层18和32的磁化一般在TMR读磁头10中垂直排列。FM层18、32的磁化的相对取向决定TMR器件的电阻。

已知的是，由于具有一定对称性的电子的相干隧穿，具有MgO隧道势垒，特别是Fe/MgO/Fe、CoFe/MgO/CoFe、Co/MgO/Co隧道结，的TMR器件表现出非常大的磁阻。然而，MgO隧道结需要具有(001)外延和完美的结晶度。MgO势垒层典型地通过溅射沉积和随后的退火形成，这形成晶体结构。对于CoFe/MgO/CoFe隧道结，已知的是，由于MgO势垒层的差的结晶度，磁电阻低。然而，已经发现，当硼(B)被用于一个或多个参考层和自由铁磁层中时，诸如通过在多层结构中使用薄的非晶CoFeB或CoFeBTa层，在退火之后观察到更高的隧道磁阻(ΔR/R或TMR)。已知非晶CoFeB层有助于MgO在(001)方向上的高品质结晶，因而具有更高的TMR。

具有甚至更高的TMR的高级TMR器件将需要降低电阻面积乘积(resistance-areaproduct，RA)，这意味着MgO势垒层将需要被做得更薄。然而，随着MgO厚度减小，TMR也减小，这被认为是部分由于硼扩散到MgO势垒层中。MgO厚度的减小还导致层间耦合场(H_int)的不期望增加，即，在参考层与自由层之间的磁耦合场的强度的不期望增加。大的H_int使TMR读磁头的性能退化。随着MgO势垒层厚度减小，重要的是具有低H_int值。