CN1343016A - 磁阻元件、其制造方法和化合物磁性薄膜的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是改善磁阻元件的耐热性和磁场移位量。本发明提供了磁阻元件,其中固定磁性层是由至少一层非磁性体层和夹持该非磁性体层的磁性体层形成的多层膜,上述磁性体层通过上述非磁性体层相互静磁结合。该元件具有改善的耐热性。本发明还提供了固定磁性层是上述多层膜并进行静磁结合或者反强磁性结合以发生负的磁结合的磁阻元件。该元件降低了磁场移位量。本发明提供了夹持中间层的磁性层的至少一方是包括以(100)(110)或者(111)面作为取向面的氧化物铁氧体,并在该取向面内导入外部磁场的磁组件。该元件显示出高的磁阻变化率。

Description

磁阻元件、其制造方法和 化合物磁性薄膜的形成方法
技术领域
本发明涉及光磁盘、硬盘、数字数据流(DDS)、数字VTR等的磁记录装置的再生头、转速检出用的磁传感器、磁随机存取存储器(MRAM)等中所使用的磁阻元件。
先有技术
CPP(Current Perpendicular to the Plane)-GMR元件是利用夹持作为导体的中间层的强磁性层间自旋依存散乱的磁阻元件，TMR元件是利用夹持作为绝缘体的极薄中间层的强磁性层间自旋隧道传导的磁阻元件。不管哪种元件，电流都是在相对于多层体的膜面垂直的方向上通过。在这些元件中，为了提高磁化相对角变化的再现性，强磁性层的一方被制成与例如象FeMn和IrMn那样的反强磁性层层压的固定磁性层。而且，如果在反强磁性层上层压包括例如象Co/Ru/Co那样的反强磁性结合的多层铁结构，可进一步提高固定磁性层的固定磁场。
作为强磁性材料，受到关注的是设想根据光谱(band)计算自旋极化率为100％的半金属(halfmetal)材料。特别是在TMR元件中，强磁性体中的自旋极化率越高，就可获得越高的磁阻变化率。
发明要解决的课题
在将磁阻元件用作磁盘、MRAM的存储器元件等时，要求耐热性高。例如，在将TMR元件用在MRAM中时，半导体工艺中的氢烧结和钝化制作工艺中要进行400℃左右的热处理。
但是，如果将包括反强磁性层的元件加热到300℃左右以上，反强磁性层中所含的Mn发生扩散，造成磁性层的自旋极化率降低，反强磁性层的组成偏移造成固定磁场降低，导致磁阻变化率降低(S.Cardoso et.al.J.Appl.Phys.87，6058(2000))。即使对于在反强磁性体上层压了多层铁构造的元件，由于热处理使多层铁构造的层构造发生混乱，因此固定磁场不会增大。在这种磁阻元件中，要求改善耐热性。在膜面方向上通过电流的CIP(CurrentinPlane)-GMR元件中也要求提高耐热性。
而且，由采用半金属材料的元件还未获得在室温下的高磁阻变化率。特别是，在通过采用氧化物靶的溅射法形成作为氧化物的半金属材料时，氧的量很容易从化学量论比偏差，难以获得良好的磁性薄膜。由采用半金属材料的磁阻元件可得到更高的磁阻变化率。
特别是在TMR元件中，存在在对外部磁场应答方面的非对称性变大的问题。
为解决发明课题而采取的措施
根据本发明的第一个方面，提供了磁阻元件，其特征在于包括中间层和夹持该中间层的一对磁性层，这些磁性层的一方是比另一方的磁性层对外部磁场更难磁化旋转的固定磁性层，该固定磁性层是由至少一层非磁性体层和夹持该非磁性体层的磁性体层形成的多层膜，上述磁性体层通过上述非磁性体层相互静磁结合。
磁性体层内的磁化通过非磁性层相互大致反平行，通过闭磁相互的静磁能，即，进行静磁结合，抑制另一方磁性层(自由磁性层)的可致使磁场移位的漏磁。在目前使用的利用反强磁性结合的层压铁构造中，磁化的方向是反平行的。但是，层压铁构造利用了RKKY效果(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida effect)，因此对非磁性体层的厚度是敏感的。与此相对，如果利用静磁结合，厚度依存性就比较小。而且，与利用反强磁性结合的情况相比，可增厚非磁性体层本身。因此，如果利用静磁结合就可改善元件的热稳定性。
根据本发明的第2个方面，提供了磁阻元件，其特征在于：包括中间层和夹持该中间层的一对磁性层，该磁性层的一方是比另一方的磁性层对外部磁场更难磁化旋转的固定磁性层，该固定磁性层是由至少一层非磁性体层和夹持该非磁性体层的磁性体层构成的多层膜，上述磁性体层通过上述非磁性体层相互静磁结合或者反强磁性结合，将配置在从中间层侧开始计的第m个(m是1以上的整数)上述磁性体层作为磁性体层m，将上述磁性体层m的平均饱和磁化和平均膜厚分别作为Mm、dm，将m是奇数的磁性体层中的Mm×dm的总和计为Mdo，m是偶数的Mm×dm的总和计为Mde，则
o.5＜Mde/Mdo＜1成立。
在该元件中，构成固定磁性层的磁性体层，由于反强磁性结合或者静磁结合，通过非磁性体层，磁化处于反平行状态。为了完全消除固定磁性层的漏磁，应使Mde/Mdo＝1。但是，由后述的实验结果可以确定，特别是在TMR元件中，固定磁性层和自由磁性层之间发生了正的磁结合。该结合在与对外部磁场的磁阻应答方面产生了非对称性。在上述元件中，强制使Mde/Mdo＜1，发生消除正的磁结合的漏磁(产生负的磁结合)，因此可改善非对称性。如果漏磁过大，在负的结合侧发生非对称性，因此，Mde/Mdo≥0.6是特别合适的。
根据本发明的第3个方面，提供了磁阻元件，其特征在于包括中间层和夹持该中间层的一对磁性层，该磁性层的至少一方包括(100)、(110)或者(111)面取向的氧化物铁氧体，通过在上述面内导入外部磁场来检测电阻的变化。最好是沿着(100)、(110)或(111)面内的容易磁化的轴方向导入外部磁场，但也可以是使各个面在面内成为无取向。
氧化物铁氧体中含有MnZn铁氧体、NiZn铁氧体、四氧化三铁(Fe3O4)等。氧化物铁氧体在取向成长时，在(100)、(110)或者(111)面的磁阻变化率比较高。而且，特别是在进行外延生长时，由于在容易磁化的轴方向上导入外部磁场，因而能提高对外部磁场的磁阻变化的磁化反应性。
由本发明的其他方面提供了适用于制造上述元件的方法。该方法是包括中间层和夹持该中间层的一对磁性层、该磁性层的至少一方含有氧化物铁氧体的磁阻元件的制造方法，其特征在于通过采用氧化物靶的溅射法，在包括应形成上述氧化物铁氧体的面的基体上施加偏置电压，同时形成上述氧化物铁氧体，由此调整从上述氧化物靶向上述氧化物铁氧体提供的氧的量。
通过采用氧化物靶的溅射法，容易发生微妙的组成偏移，这种偏移劣化了元件特性。根据上述方法，由于组成的控制变得容易，可提高元件的再现性。上述方法还适用于其他化合物的磁性薄膜。即，根据本发明的其他方面，提供了化合物磁性薄膜的形成方法，其特征在于通过采用化合物靶的溅射法，通过在含有应形成上述化合物磁性薄膜的面的基体上施加偏置电压，同时形成化合物磁性薄膜，调整从上述化合物靶向上述化合物磁性薄膜供给的选自氧或氮的至少其中之一的量。根据这种方法，可以再现性良好地获得具有所需化学量论比的化合物磁性薄膜。
另外，本发明的元件也可以同时具有上述多个侧面。本发明的元件还可以包含更多的层，例如可以配置二个以上的非磁性层和夹持该非磁性层的磁性层。
附图的简要说明
图1是用于说明磁场移位量s的图。
图2是表示一例本发明磁阻元件的截面图。
图3是示例用于制备中间层的Al厚度和磁场移位量之间关系的图。
图4是用于示例通过对基板施加的偏压改变得到的Fe氧化物的结晶构造的X射线折射图，图4(a)是施加偏压0W时的射线图，图4(b)是施加偏压5W时的射线图，图4(c)是施加偏压10W时的折射图。
图5是对在MgO(100)面上形成的Fe3O4从特定方向施加外部磁场时的MH曲线和MR曲线的一个例子，图5(a)是从<100>轴方向，图5(b)是从<010>方向分别施加外部磁场时的例子。
图6是对在MgO(110)面上形成的Fe3O4从特定方向施加外部磁场时的MH曲线和MR曲线的一个例子，图6(a)是从<110>轴方向，图6(b)是从<001>方向分别施加外部磁场时的例子。
图7的(a)(b)都是在MgO(111)面上形成的Fe3O4上从任意方向上施加外部磁场时MH曲线和MR曲线的一个例子。
图8是表示在Fe3O4各面内的各向异性能的分布，图8(a)是对(100)面的分布图，图8(b)是对(110)面的分布图，图8(c)是对(111)面的分布图。
发明的实施方式
下面根据优选的实施方案说明本发明。
采用本发明第1方面提供的改善了耐热性的磁阻元件，为了实现了磁性体层间的静磁结合，最好适当调整非磁性体层的厚度。非磁性体层的优选厚度根据非磁性体的种类而定，但是为了使静磁结合对反强磁性结合具有有效的效果，以超过1.5nm为宜。而为了使静磁结合占有主导地位，优选2.6nm以上。如果非磁性体层的厚度超过了10nm，静磁结合逐渐减弱。
上述元件，优选元件面积在10μm2以下，特别优选1μm2以下。这里所说的元件面积是指在中间层中与电流通过方向垂直的面的面积，在垂直电流型元件中中间层膜面的面积。如果将元件微细化至该面积为10μm2以下这样的程度，在磁性体层中，相对于面积的厚度相对地增大。为此，磁性体层每一层的反磁场增大，该层每一层的静磁能增大。磁性体层减少了静磁能，使相互的磁化方向处于反平行状态，因此，静磁能的增大稳定了磁化的反平行状态。为了进一步稳定磁化方向，可根据固定磁性层面的形状赋予形状各向异性。优选的面形状优选长轴与短轴的比为2以上。对面形状本身没有限制，例如可以是长方形、菱形和椭圆形。
采用本发明第2方面提供的磁阻元件，可改善磁阻应答的非对称性。采用该元件，具体地说，可将自由磁性层的磁场移位量的绝对值降低至自由磁性层的矫磁力的50％以下，例如20(Oe)以下，进一步降低至3(Oe)以下，特别是实际上降低至00e。这里所说的磁场移位量是指在表示磁场(H)和磁化(M)的关系的磁化—磁场曲线(M-H曲线)中，假设使磁化为0(M＝0)的两个磁场为H1和H2时，根据下式确定s(参照图1)，
S＝(H1+H2)/2。
另外，在磁阻元件中，在自由磁性层作磁化旋转、而固定磁性层不作磁化旋转的范围内的磁场的阻抗—磁场曲线中，取阻抗最大值和最小值的平均值的二个磁场实质上与自由磁性层的M-H曲线中的二个磁场(H1、H2)相对应。
采用上述元件，可适当调整Mde/Mdo的值，使磁场移位量减小到上述程度。但是，Mde/Mdo的值根据所用元件产生的正的磁结合的程度而不同，通常优选为0.5～0.9左右。
如果构成固定磁性层的磁性体层均是软磁性层，对外部磁场容易发生旋转。因此，构成固定磁性层的磁性体层的至少一层优选具有高矫磁力，例如500(0e)(39.8kA/m)以上的矫磁力。优选的高矫磁力材料可举出CoPt、FePt、CoCrPt、CoTaPt、FeTaPt、FeCrPt等。
也可通过采用反强磁性层，使在反平行状态下结合的磁化稳定。在这种情况下，本发明的上述元件形成进一步包括反强磁性层并且该反强磁性层与固定磁性层进行磁结合的元件。反强磁性体可采用FeMn、IrMn等含Mn反强磁性体，还有组成式为Cr100-xMex(Me选自Re、Ru和Rh的至少一种，0.1≤X≤20)表示的含Cr反强磁性体。优选的一个含Mn强磁性体可举出由组成式Mn100-xMex(Me选自Pd和Pt的至少一种，40≤X≤55)表示的贵金属系反强磁性体。
为了提高反强磁性体的结晶性，可以在具有与反强磁性体类似的结晶构造和/或晶格常数的底层上形成反强磁性体层。例如，在反强磁性体是PtMn或者PtPdMn时，在底层上可以采用NiFe或NiFeCr。
下面举例说明本发明第3方面提供的磁阻元件的优选方案。例如，在基板或者底层上，在(110)面上外延成长四氧化三铁时，假设该面内的<100>轴方向为0度，在(110)面内，在30度以上150度以下的范围内导入外部磁场，可检测到磁阻的变化。如果如上所述导入外部磁场，磁阻变化的磁化应答性变高。这种方案适合于结晶磁各向异性能中至少K1是负值，优选K2也是负值的氧化物铁氧体。对于K1具有正值并优选K2也具有正值的氧化物铁氧体，假设<100>轴方向为0度，在(110)面内，可在170度以上190度以下的范围内导入外部磁场。
另一方面，在(100)面上外延成长的四氧化三铁，假设该面内的<100>轴方向为0度，在(100)面内，可在40度以上50度以下或者130度以上140度以下的范围内导入外部磁场。这种方案适合结晶磁各向异性能中K1具有负值并优选K2也具有负值的氧化物铁氧体。在K1具有正值并优选K2也具有正值的氧化物铁氧体的情况下，假设<100>轴方向为0度，在(100)面内，可在85度以上95度以下或者175度以上185度以下的范围内导入外部磁场。
在(111)面上外延成长的四氧化三铁中，在该面内，如果在任意范围的角度内导入外部磁场并检测到磁阻变化，可获得高的磁化应答性。假设<110>轴方向为0度，在(111)面内，在包括30度、90度或者150度的范围内，优选实际上可以从下列任意角度开始导入外部磁场。这种优选的方案对至少K2具有负值的氧化物铁氧体是共同的。在至少K2为正值时，假设(110)轴方向为0度，在(111)面内，在包括0度、60度或者120度的范围，优选实际上可以从下列任意角度开始导入外部磁场。
在(100)面、(110)面或者(111)面上取向，并且在面内以无取向方式成长的四氧化三铁中，在各面内，在任意范围的角度内都可导入外部磁场。特别是，如果使Fe3O4面方向的平均结晶宽度为10nm以下，外表上的结晶磁各向异性能减小，可形成磁性弱的Fe3O4，或者以Fe3O4为主要成分的强磁性体。这并不限于Fe3O4，对氧化物铁氧体整个通用。
在与氧化物铁氧体结合的中间层中，如果含有具有d电子的元素，发现磁阻变化率有增大的倾向。具有d电子的元素是周期表原子序号为21号以后的元素。
在通过采用化合物磁性靶的溅射法形成氧化物铁氧体这样的含有氧和/或氮和过渡金属的化合物磁性薄膜时，容易生成氧和氮的组成偏移。但是，在形成化合物磁性薄膜的基板或者底层上施加偏压，在控制薄膜所含的氧和/或氮的量的同时进行成膜，可形成再现性高的化合物磁性薄膜。这种方法可以和惰性气体同时并用含氧和/或氮的溅射气体的反应性溅射法。
施加偏压，例如，(1)基板从地板上带电浮起，根据放电电力、气体压力等确定的等离子密度条件控制所施加的偏压，(2)基板从地板带电浮起，通过由外部电源施加直流(DC)或者高频(RF)偏压进行。RF偏压的频率可在通常使用的范围内，例如可以在10MHz以上。
该方法适用于RF溅射法，例如RF磁控管溅射法。用于这些溅射法时，可在作为靶的化合物磁性体上施加RF电压，同时，在基板上施加DC或者RF偏压进行成膜。向靶和基板供给RF电压抑制了膜最表面形成磁劣化层，因此优选同时进行。
这种成膜方法特别适合于形成氧化物铁氧体等的氧化物磁性薄膜。通常，氧化物磁性靶的电阻比较高，如果采用其在没有偏压的情况下成膜，有氧过剩供给的倾向。为了降低膜中的氧，施加负偏压是有效的，又由于是电阻高的膜，因此优选使用RF偏压。但是，包括氧化物铁氧体的上述元件的制造方法并不限于上述成膜方法。例如，采用氧量在化学量论比以下的化合物磁性靶，可利用通过常规溅射法形成的组成偏移。采用上述靶，可通过反应性溅射法补充不足的氧。
为了提高化合物磁性薄膜的结晶性，可使基板温度在250℃以上到700℃以下。由于施加了偏压，所以加热基板适合辐射加热。
以上说明的磁阻元件，特别是对于在与多层膜的膜面垂直通过电流的垂直电流型元件(CPP-GMR元件、TMR元件)中是有用的，对在膜面方向上通过电流的元件(CIP-GMR元件)也是有效的。
作为TMR元件的中间层，可采用含有选自氧、氮、碳和硼的至少一种元素的绝缘体或者半导体。优选的材料可列举SiO2、SiC、Si3N4、Al2O3、AlN、Cr2O3、TiC、HfO2、HfN、HfC、Ta2O5、TaN、TaC、BN、B4C、DLC(金刚石类碳)、C60、它们的混合物。
作为GMR中间层，可以采用含有过渡金属元素的导体。也可采用含有过渡金属和选自氧、氮和碳的至少其中之一的导电性化合物。而且，在制备CPP-GMR元件时，最好使元件面积(电流通过的中间层的面积)为0.1μm2以下。这是因为通过限制元件面积，元件阻抗增大，同时也可提高了耐热性。作为中间层，特别优选选自V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Cu、Ag、Au、Ru、Rh、Ir、Re和Os中的至少一种。可将这些金属氧化、氮化或者碳化至不丧失导电性的程度。还可以采用过渡金属X和化合物R(选自SiO2、SiC、Si3N4、Al2O3、AlN、Cr2O3、Cr2N、TiO、TiN、TiC、HfO2、HfN、HfC、Ta2O5、TaN、TaC、BN和B4C的至少一种)的混合物。而且形成了X/R这样的两层以上的多层膜，元件阻抗和耐热性就提高了。
在非磁性体层中可采用非磁性的导电性材料。作为静磁结合磁性体层的非磁性体层的优选材料可列举例如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Rh、Pt、Pd等。作为反强磁性结合磁性体层的非磁性体层的优选材料可列举例如Cr、Cu、Ag、Au、Ru、Rh、Ir、Re、Os等。
反强磁性结合中优选非磁性体层的厚度因材料而不同，约为0.2～1.3nm左右。特别优选该厚度例如在非磁性体为Cr时为0.8～1.3nm，是Ru时为0.2～0.5nm或者0.6～1.0nm，是Ir时为0.3～0.5nm，是Rh时为0.4～0.8nm。
对磁性体层的材料和厚度没有特别限制，可以使用目前使用的材料和厚度。另外，在采用静磁结合的情况下，磁性体层的厚度可做成1.5～20nm。这是因为：如果低于1.5nm则会使因静磁结合导致的静磁能的降低变小，而如果厚于20nm则会使来自各磁性体层的漏磁场难以闭磁。
磁性层在至少从中间层的界面开始计0.5nm以内的范围优选由以下的材料构成。(1)CoNbZr、CoTaZr、CoFeB、CoTi、CoZr、CoNb、CoMoBZr、CoVZr、CoMoSiZr、CoMoZr、CoMoVZr或者CoMnB等Co系非晶材料，(2)FeSiNb、Fe(Si、Al、Ta、Nb、Ti)N等Fe系微晶材料，(3)含有选自Fe、Co和Ni的强磁性元素50重量％以上的材料，例如FeCo合金、NiFe合金、NiFeCo合金、或者FeCr、FeSiAl、FeSi、FeAl、FeCoSi、FeCoAl、FeCoSiAl、FeCoTi、Fe(Ni)(Co)Pt、Fe(Ni)(Co)Pd、Fe(Ni)(Co)Rh、Fe(Ni)(Co)Ir、Fe(Ni)(Co)Ru等强磁性或者薄磁性合金，(4)FeN、FeTiN、FeAlN、FeSiN、FeTaN、FeCoN、FeCoTiN、FeCoAlN、FeCoSiN、FeCoTaN等氮化物，(5)Fe3O4，(6)XMnSb(X选自Ni、Cu和Pt中的至少一种)、LaSrMnO、LaCaSrMnO、CrO2等半金属材料，(7)钙钛矿型氧化物、MnZn铁氧体、NiZn铁氧体等尖晶石型氧化物，(8)石榴石型氧化物。也可以是含有这些物质50重量％以上的强磁性体或者铁磁性体。本说明书中括号内的元素或者层可以是任意元素和层。
本发明提供的各元件的构成在图2表示。在该元件中，在基板14上依次层压下部电极兼底层13、第1磁性层17、中间层16、第2磁性层15和上部电极11。由磁性层和中间层制成的台面型元件被层间绝缘膜12包围。第1、第2的任意一个磁性层可以是自由磁性层(固定磁性层)，或者任意一个磁性层可以含有氧化物铁氧体。磁性层和中间层可以是多层膜，也可以配置反强磁性层等其它层。元件的构成不限于图2的示例。
磁性层等各层可通过目前已知的各种气相成膜法来形成。作为气相成膜法，可举出离子束沉积法(IBD)、多离子束法、RF、DC、ECR、交叉法(helicon)、ICP、对向靶等各种溅射法、MBE法、离子喷镀法等。除了这些PVD法之外，特别是在制备层间绝缘膜还可以采用CVD法(化学蒸镀法)。
氧化物等化合物的中间层可以采用化学束外延法、气源MBE法、反应性蒸镀法、反应性溅射法等直接成膜。通过伴随着发生等离子体的方法(例如反应性溅射法)形成中间层时，为了抑制了露出的磁性层表面的氧化等，在磁性层上可以预先形成阻挡层。作为阻挡层，Al、Si、Ti、Ta、Hf、Nb、V、Cr等的极薄的层，例如1个原子到数个原子层程度的层是合适的。通过不产生等离子体的反应性蒸镀法，可以成膜一个原子层左右的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物层等来保护磁性层。化合物的中间层不是直接成膜的，在磁性层上成膜构成中间层的元素(例如Al)，通过将其在适当的分压、反应温度和时间下暴露于含有氧等的气体的原子、分子、离子(等离子体)、自由基等的气氛中，形成化合物(例如Al2O3)。反复数次进行成膜/氧化等循环，形成所需厚度的中间层。
对于将元件部件加工成台面型的方法也没有特别的限制，可以采用通常的微细加工工艺中所用的离子磨、RIE、EB、FIB等物理或者化学蚀刻法和光刻法技术。而且，为了使下部电极平坦化，如果采用CMP法、集束离子束蚀刻法进行表面处理，具有提高磁阻变化率的效果。
实施例
(实施例1)
通过磁控管溅射法在Si热氧化基板上制作以下样品。
(样品1)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)
(样品2)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(7)/Ta(3)
(样品3)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ta(3)/CoFe(10)/Ta(3)
(样品4)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ta(3)/CoPt(4.4)/Ta(3)
(样品5)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ia(3)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)
(样品6)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Cu(2.2)/CoFe(3)/Ta(3)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)
括号内的数值是膜厚(单位：nm，以下相同)。这里，Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)是下部电极兼底层，CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/PtMn(20)是采用层压铁结构的固定磁性层，CoFe(3)/Ta(3)/CoPt(4.4)、CoFe(3)/Ta(3)/CoFe(3)或者CoFe(3)/Ta(3)/CoFe(10)是采用静磁结合的固定磁性层，Al2O3或者Cu是中间层，剩下的是自由磁性层(但是，最表面Ta(3)是保护膜)。CoPt(4.4)的矫磁力是500(0e)。
进行上述成膜后，在400℃、5k0e(398kA/m)的磁场中，进行1.5个小时的热处理。接着，采用スラッパ，精细加工成台面型，使在中间层上电流通过的元件面积是0.1～20μm2，该层面的形状比为4∶1。接着，形成层间绝缘膜和上部电极，制成垂直电流型的磁阻元件。元件纵向和热处理时的磁场施加方向为同一方向。
对如此得到的各元件通过在元件形状的纵向上施加±1000(0e)(79.6kA/m)的外部磁场，表示所测定的磁阻变化率(MR值)
表1   (MR值：％)
样品编号                       元件面积(μm2)
    0.1     0.5     2     10     20
    1     16     17     18     19     20
    2     25     21     18     15     12
    3     35     31     23     20     17
    4     36     35     29     27     26
    5     40     39     34     32     29
    6     27     25     22     20     13
与具有层压铁构造的样品1、根据形状各向异性利用矫磁力差的样品2相比，元件面积在10μm2以下，样品3～6的MR值变高。与样品2相比，样品3～6的MR值高，这被认为是由于静磁结合向自由磁性层漏磁的影响降低。样品4和5由于采用了反强磁性体或者高矫磁力的磁性体，MR值的元件面积依存性减小。中间层采用Cu的样品6虽然含有反强磁性体，但是由于元件面积减小，单位面积的电流有实质的增加，因此，元件面积依存性提高。
接着，对下面的膜构成，研究改变非磁性体层Ta的膜厚X时的MR值。结果由图2示出。在与上述包括热处理条件的相同条件下制备，使元件形状比也为4∶1。元件面积为0.1μm2。
(样品7)Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ta(X)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)
表2Ta膜厚(nm)                          MR(％)1                                   201.5                                 353                                   405                                   4110                                  3520                                  25
非磁性体层的膜厚在静磁结合起支配的范围(优选2.6～10nm左右)时，可得到高的MR值。同样的试验结果是磁性体层的优选厚度为1.5～20nm。对上述列出的各种强磁性体、各种非磁性体、各种高矫磁力材料(反强磁性体)进行同样的试验，可测定同样的倾向。
(实施例2)
在Si热氧化基板上制作具有以下膜构成的元件。
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3/CoFe(3)/NiFe(4)/Ta(3)
改变用于形成Al2O3层的成膜的Al的膜厚，对它们分别测定MH曲线，求出磁场移位量。结果在图3表示。随着Al的膜厚变薄，磁场移位量增大。其理由的详细情况还不知道，但是可以认为是通过Al2O3变薄，自由磁性层和固定磁性层之间的橘皮偶合，两磁性层之间发生正的磁结合。
接着，使Al膜厚为0.7nm，制备具有以下膜构成的元件。
(样品11)Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(5)/Al2O3/CoFe(3)/NiFe(4)/Ta(3)
(样品12)Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3/CoFe(3)/NiFe(4)/Ta(3)
对两元件测定MH曲线时，磁场移位量在样品11中受到抑制，在样品12中发现具有增大的倾向。对于样品11，在将多层膜加工层台面型并测定MR值时，在RA(规格化结合阻抗)为15Ωμm2时获得30％的MR值。磁场移位量被抑制在几乎为0(0e)。
这样，特别是在中间层的膜厚薄的情况下，如果中间层侧的磁性体层的饱和磁化和膜厚的积更大，可抑制磁场移位。从更详细的试验结果可确定上述Mde/Mdo在0.5以上不到1时，可得到磁场移位小的磁阻元件。
(实施例3)
通过采用Fe3O4靶的RF磁控管溅射法，在Si热氧化基板上在室温下成膜Fe氧化物。成膜时，在0、5或者10W下施加偏压。这样成膜的Fe氧化物膜的X射线折射结果在图4表示。RF偏压为0W时成膜为Fe2O3，为5W时成膜为Fe3O4，为10W时成膜为FeO，随着增加偏压，氧量减少。在基板面上平行观察(111)面，可确定Fe3O4具有(111)面取向。从MH曲线的测定等还可确定膜面内无取向。改变基板温度形成Fe3O4时，基板温度在250℃700℃的范围内，可确定可容易制备具有高结晶性的Fe3O4。
在Si热氧化基板上，使基板温度为300℃，成膜膜厚300nm的Pt膜，在偏压5W的条件下，成膜膜厚50nm的Fe3O4膜。接着，将基板温度返回到室温后，形成Al2O3膜，进而层压膜厚20nm的CoFe膜。测定该多层膜的MR值，为3％左右。该值不随施加磁场的方向而变，是一定的。
在MgO基板(100)、(110)或者(111)面上，与上述同样，形成多层膜。各多层膜的MH曲线和微细加工后的MR曲线在图5～7表示。图5表示在(100)面内的<100>或者<010>的轴向上施加外部磁场时的结果，图6表示在(110)面内的<110>或者<001>轴向上施加外部磁场时的结果，图7表示从(111)面内的任意方向施加外部磁场时的结果。
最高的MR是在(110)面的<110>轴向上施加外部磁场时得到的。该结果正如从各膜面内的各向异性能分布图(图8)所理解的那样，暗示出如果在被当作容易磁化的轴向的方向上施加外部磁场，可得到最高的MR。在将象Fe3O4那样的、具有高自旋极化率并且结晶磁各向异性比较大的材料作为器件使用时，如果采用难以磁化的轴方向，在实用的磁场范围内，是磁不饱和的。因此，难以获得高了MR。
发明的效果
在紧接氧化物铁氧体的部分采用含有d电子的元素(例如)的中间层，进行与上述相同的试验，进一步提高MR。
根据本发明，通过制备在固定磁性层上导入静磁结合的磁阻元件，提高了耐热性。而且，根据本发明，通过制备在构成固定磁性层的磁性体层上强行产生负结合的磁阻元件，可降低磁场移位量。根据本发明，通过使氧化物铁氧体的外部磁场的施加方向为特定方向，可提供具有高MR的磁阻元件。根据本发明，通过在基板上施加偏压并调整氧等的含量，可以以良好的再现性成膜具有优良特性的化合物磁性薄膜，例如氧化物铁氧体。

Claims (22)

1.磁阻元件，其特征在于包括中间层和夹持该中间层的一对磁性层，上述磁性层的一方是比另一方的磁性层对外部磁场更难磁化旋转的固定磁性层，该固定磁性层是由至少一层非磁性体层和夹持该非磁性体层的磁性体层形成的多层膜，上述磁性体层通过上述非磁性体层相互静磁结合。
2.权利要求1记载的磁阻元件，元件面积为10μm2以下，这里所说的元件面积是指在中间层中，与电流通过的方向垂直的面的面积。
3.磁阻元件，其特征在于：包括中间层和夹持该中间层的一对磁性层，该磁性层的一方是比另一方的磁性层对外部磁场更难磁化旋转的固定磁性层，该固定磁性层是由至少一层非磁性体层和夹持上述非磁性体层的磁性体层构成的多层膜，上述磁性体层是通过上述非磁性体层相互静磁结合或者反强磁性结合，将配置在从中间层侧开始计的第m个(m是1以上的整数)上述磁性体层作为磁性体层m，将上述磁性体层m的平均饱和磁化和平均膜厚分别作为Mm、dm，将m是奇数的磁性体层中的Mm×dm的总和计为Mdo，m是偶数的Mm×dm的总和计为Mde，则
0.5＜Mde/Mdo＜1成立。
4.权利要求3记载的磁阻元件，作为自由磁性层的上述另一方的磁性层的磁场移位量的绝对值为上述自由磁性层的矫磁力的50％以下；这里所说的磁场移位量是指在表示磁场(H)和磁化(M)的关系的磁化—磁场曲线(M-H曲线)中，将磁化为0(M＝0)的两个磁场记为H1、H2(但是H1＞H2)时，由以下式子确定的量s，
s＝(H1+H2)/2。
5.权利要求1或者3记载的磁阻元件，其中构成固定磁性层的至少一层磁性体层具有500(0e)以上的矫磁力。
6.权利要求1或3记载的磁阻元件，进一步含有反强磁性层，上述反强磁性层与固定磁性层磁性结合。
7.磁阻元件，其特征在于包括中间层和夹持上述中间层的一对磁性层，上述磁性层的至少一方含有(100)、(110)或(111)面取向的氧化物铁氧体，通过在上述面内导入外部磁场来检测电阻的变化。
8.权利要求7记载的磁阻元件，在(100)、(110)或(111)面内的容易磁化的轴方向上导入外部磁场。
9.权利要求8记载的磁阻元件，其中氧化物铁氧体在(110)面取向，假设上述面内的<100>轴方向为0度，在上述(110)面内，在30度以上150度以下的范围内导入外部磁场。
10.权利要求8记载的磁阻元件，其中氧化物铁氧体在(100)面取向，假设上述面内的<100>轴方向为0度，在上述(100)面内，在40度以上50度以下或者130度以上140度以下的范围内导入外部磁场。
11.权利要求8记载的磁阻元件，其中氧化物铁氧体在(111)面上取向。
12.权利要求7记载的磁阻元件，其中(100)、(110)或(111)面在面内为无取向。
13.权利要求7记载的磁阻元件，其中氧化物铁氧体是四氧化三铁。
14.权利要求1、3或7记载的磁阻元件，其中中间层是含有选自氧、氮、碳和硼的至少一种元素的绝缘体或者半导体。
15.权利要求1、3或7记载的磁阻元件，其中中间层是含有过渡金属元素的导体。
16.权利要求15记载的磁阻元件，其中元件面积在0.1μm2以下。
17.制造磁阻元件的方法，该方法是包括中间层和夹持该中间层的一对磁性层、该磁性层的至少一方含有氧化物铁氧体的磁阻元件的制造方法，其特征在于通过采用氧化物靶的溅射法，在包括应形成上述氧化物铁氧体的面的基体上施加偏置电压的同时形成上述氧化物铁氧体，由此调整从上述氧化物靶向上述氧化物铁氧体提供的氧的量。
18.权利要求17记载的磁阻元件的制造方法，其中施加高频率偏压。
19.权利要求17记载的磁阻元件的制造方法，其中使基体温度在250℃以上700℃以下。
20.化合物磁性薄膜的形成方法，其特征在于通过采用化合物靶的溅射法，在包括应形成上述化合物磁性薄膜的面的基体上施加偏置电压的同时形成化合物磁性薄膜，调整从上述化合物靶向上述化合物磁性薄膜供给的选自氧或氮的至少其中之一的量。
21.权利要求20记载的化合物磁性薄膜的形成方法，其中施加高频率偏压。
22.权利要求20记载的化合物磁性薄膜的形成方法，其中使基体温度在250℃以上700℃以下。
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