隧道磁阻器件和隧道磁阻读磁头的制作方法
【技术领域】
[0001] 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)隧道势皇层和含硼铁磁层的TMR读磁头。
【背景技术】
[0002] 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皇层 分隔的两个铁磁层。势皇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（A1 203)和氧 化钛（Ti02)，已经被提出作为隧道势皇材料，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 于铁磁层和势皇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。
[0003] 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、绝缘隧道势皇层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。
[0004] 已知的是，由于具有一定对称性的电子的相干隧穿，具有MgO隧道势皇，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势皇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势皇层的差的 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（AR/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。
[0005] 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-area product，RA)，这意味着MgO势皇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势皇层中。MgO厚度的减小还导致层间耦合场（Hint) 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Hint使 TMR读磁头的性能退化。随着MgO势皇层厚度减小，重要的是具有低Hint值。
[0006] 所需要的是具有薄MgO势皇层并从而具有减小的RA但是具有高TMR和低Hint的 TMR器件。
【发明内容】
[0007] 本发明的实施例涉及一种具有薄的MgO势皇层以及在MgO势皇层和自由和/或参 考含硼铁磁层之间的含氮层的TMR器件。在一个实施例中，自由铁磁层包括含硼层以及在 MgO势皇层和含硼层之间的三层纳米层结构。该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势皇层之 间。根据本发明的实施例的TMR器件比没有含氮层的TMR器件表现出大的TMR值和低的用 于薄的MgO势皇层的层间耦合场（H int)的值。
[0008] 为了更充分地理解本发明的本质和优点，应当参考对连同附图进行的以下详细描 述。
【附图说明】
[0009] 图1是示出常规的隧道磁阻（TMR)读磁头的结构的剖视图。
[0010] 图2是示出现有技术TMR读磁头的详细结构的剖视图。
[0011] 图3是示出在现有技术TMR读磁头中具有存在于参考层和自由层中的硼的典型的 参考层/MgO/自由层结构的示意图。
[0012] 图4是示出根据本发明的实施例的参考层/MgO/自由层结构的示意图，参考层/ MgO/自由层结构具有存在于参考层和自由层中的硼以及具有在MgO势皇层和含硼层之间 的含氮层。
[0013] 图5是根据本发明的实施例的用于试验器件并且用于检验器件的电阻面积乘积 (RA)的函数的TMR的图表。
[0014] 图6是根据本发明的实施例的用于试验器件并且用于检验器件的RA的函数的层 间親合场（H int)的图表。
【具体实施方式】
[0015] 图2是示出像在磁记录盘驱动器中使用的现有技术的TMR读磁头100的结构的剖 面高度示意的图。该剖视图是通常被称为TMR读磁头100的空气轴承表面（ABS)的视图。 TMR读磁头100包括在典型地由电镀NiFe合金膜制成的两个铁磁屏蔽层Sl、S2之间形成 的传感器堆叠层。下部屏蔽S1典型地通过化学机械抛光（CMP)平滑，以提供用于传感器堆 叠生长的平滑表面。传感器堆叠包括：具有横向（远离页面）取向的被钉扎磁化121的铁 磁参考层120、具有响应于来自记录盘的横向外部磁场而可以在层110的平面内旋转的磁 化111的铁磁自由层110、以及在铁磁参考层120和铁磁自由层110之间且典型地是氧化镁 (MgO)的电绝缘隧道势皇层130。
[0016] 参考层120可以是常规的"简单"或单个被钉扎层，其典型地通过交换耦合到反 铁磁层而使其磁化方向121被钉扎或固定。然而，在图2的例子中，参考层120是公知的 反平行（AP)被钉扎或磁通闭合结构的部分，也被称为"层叠的"被钉扎层，如在美国专利 5, 465, 185中所述的。该AP被钉扎结构最小化参考层120与自由层110的静磁耦合。AP被 钉扎结构包括跨过诸如Ru、Ir、Rh或Cr或其合金的AP耦合（APC)层123反铁磁耦合的参 考铁磁（AP2)层120和下部被钉扎铁磁（API)层122。由于跨过APC层123反平行耦合，参 考（AP2)和被钉扎（API)铁磁层120、122的各自的磁化12U127彼此反平行取向。结果， AP2和API铁磁层120、122的净磁化较小，从而充分地最小化由铁磁自由层110中的磁通闭 合结构引起的退磁场，于是TMR读磁头最佳地操作变得可行。
[0017] 位于下部屏蔽层S1和