隧道磁阻元件、磁頭以及磁存儲器的制作方法

專利名稱：：隧道磁阻元件、磁頭以及磁存儲器的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種隧道磁阻元件、磁頭以及磁存儲器，更具體地，涉及一種利用了隧道磁阻效應的隧道磁阻元件、使用這種隧道磁阻元件的磁頭以及磁存儲器。
背景技術：
：TMR(隧道磁阻)元件配置為包括一對鐵磁層和一層薄絕緣膜，這層薄絕緣膜夾在這對鐵磁層之間作為隧道阻擋層(tunnelbarrierlayer)。TMR元件能夠利用TMR效應，檢測對于從一個鐵磁層經隧道阻擋層流向另一個鐵磁層的電流的電阻變化作為信號，所謂TMR效應是這樣一種現象，即對于電流的電阻隨著在鐵磁層的各個磁矩之間形成的角度而變化。近來，利用上述特性，己將TMR元件用于HDD(硬盤驅動器)的磁頭的讀取元件，或者用于MRAM(磁阻隨機存取存儲器，即一種磁存儲器)的存儲元件。通常，TMR元件是這樣形成的在形成于基層之上的反鐵磁層上依次由下而上地形成一層鐵磁層、隧道阻擋層以及另一鐵磁層，在這些層的層疊物之上，再形成覆蓋層作為保護層。在這種情況下，形成在反鐵磁層上的這一層鐵磁層為磁化方向固定的磁化固定層，而形成在隧道阻擋層的與上述一層鐵磁層相對一側上的另一鐵磁層為磁化方向可由外部磁場改變的磁化自由層。當各層的磁化方向相同時，各層(包括隧道阻擋層)的電阻變小，電流容易通過；而當各層的磁化方向相反時，各層的電阻變大，電流難以通過。電阻的這種差別被檢測作為信號。現有技術對形成TMR元件的各層的材料進行了各種研究。一般而言，例如將由鉅(Ta)膜和鎳鐵(NiFe)膜組成的多層膜用作基層，將銥錳(IrMn)膜用作反鐵磁層。此外，將由鈷鐵(CoFe)膜、釕(Ru)膜和CoFe膜組成的多層膜用作反鐵磁層上的磁化固定層。將鋁氧化物(AIO)膜用作隧道阻擋層。將CoFe膜、NiFe膜、由CoFe膜和NiFe膜組成的多層膜等等用作磁化自由層。此外，將由多層Ta膜組成的多層膜、由NiFe膜和Ru膜組成的多層膜等等用作覆蓋層形成在磁化自由層上。此外，還試圖通過用鈷鐵硼(CoFeB)膜代替用于磁化自由層的CoFe膜，或者用鎂氧化物(MgO)膜代替用于隧道阻擋層的AIO膜，來增加TMR元件的磁阻MR比，即增加TMR元件的信號輸出。此外，現有技術提出了這樣一種TMR元件，其在由CoFeB膜形成的磁化自由層與包括Ta膜的覆蓋層之間形成包含硼(B)的移動抑制層，以抑制覆蓋層的元素在預定熱處理過程中擴散到磁化自由層中(參見日本未審査專利公開No.2004-63592)。現有技術還提出了這樣一種TMR元件，其將包含Ta、鈦(Ti)等元素的合金膜，或者由例如銦鈦(InTi)氧化物形成的氧化物導電膜用作覆蓋層，以抑制由于磁致伸縮導致的磁化自由層轉換磁場(switchingmagneticfield)的變化(參見日本未審査專利公開No.2005-85821)。如上所述，在現有技術中研究了TMR元件的配置，并將其特性改善到一定程度。但是，對于目前的和將來的TMR元件，非常希望進一步改善其特性，特別是增加TMR元件的MR比，以提高使用TMR元件的磁頭和MRAM的性能。例如，將TMR元件用于磁頭的讀取元件時，增加其MR比就能夠增加信號強度，從而改善SN比(信號輸出與噪聲之比)。此外，將磁化自由層的磁化方向控制為預定方向，就能夠在磁頭的讀取元件中，在磁化自由層附近形成沿預定方向磁化的磁性材料(磁疇控制膜)。因此，如果MR比增加，則磁疇控制膜的磁場強度增加，就可以提高讀取元件運行的穩定性。此外，將TMR元件用于MRAM的存儲元件時，通過增加TMR元件的MR比來增加信號強度，就可以抑制讀取誤差的發生，并降低功耗。
發明內容考慮到以上問題，構思出本發明，本發明的第一目的是提供一種具有大MR比的TMR元件。本發明的第二目的是提供一種使用上述TMR元件的磁頭。本發明的第三目的是提供一種使用上述TMR元件的磁存儲器。為了實現第一目的，在本發明的第一方案中，提供一種TMR元件，包括磁化固定層，其磁化方向固定；隧道阻擋層，形成在所述磁化固定層上;磁化自由層，形成在所述隧道阻擋層上，且由CoFeB膜形成，使得所述磁化自由層的磁化方向可變；以及覆蓋層，包括Ti膜，并形成在所述磁化自由層上，使得所述Ti膜與所述磁化自由層相接觸。為了實現第二目的，在本發明的第二方案中，提供一種使用隧道磁阻元件作為讀取元件的磁頭，其中所述隧道磁阻元件包括磁化固定層，其磁化方向固定；隧道阻擋層，形成在所述磁化固定層上；磁化自由層，形成在所述隧道阻擋層上，且由CoFeB膜形成，使得所述磁化自由層的磁化方向可變;以及覆蓋層，包括Ti膜，并形成在所述磁化自由層上，使得所述Ti膜與所述磁化自由層相接觸。為了實現第三目的，在本發明的第三方案中，提供一種使用隧道磁阻元件作為存儲元件的磁存儲器，其中所述隧道磁阻元件包括磁化固定層，其磁化方向固定；隧道阻擋層，形成在所述磁化固定層上；磁化自由層，形成在所述隧道阻擋層上，且由CoFeB膜形成，使得所述磁化自由層的磁化方向可變；以及覆蓋層，包括Ti膜，并形成在所述磁化自由層上，使得所述Ti膜與所述磁化自由層相接觸。通過以下描述并結合附圖，本發明的上述和其它目的、特征以及優點將變得顯而易見，附圖通過實例示出本發明的優選實施例。圖1為TMR元件實例的示意性橫截面圖；圖2為示出RA與MR比之間關系的圖表，MR比隨覆蓋層材料的參數而變化；圖3為示出覆蓋層材料與MR比之間關系的圖表；圖4為示出RA與MR比之間關系的圖表，當磁化自由層用CoFe膜形成時，MR比變化；圖5為示出覆蓋層材料與MR比之間關系的圖表，當磁化自由層用CoFe膜形成時，MR比變化；圖6為示出RA與MR比之間關系的圖表，當隧道阻擋層用A10膜形成時，MR比變化；圖7為示出RA與MR比之間關系的圖表，MR比隨磁化自由層的CoFeB膜的厚度參數而變化；圖8為示出磁化自由層的CoFeB膜厚度與MR比之間關系的圖表；圖9為示出RA與MR比之間關系的圖表，MR比隨覆蓋層的Ti膜材料的厚度參數而變化；圖10為示出覆蓋層的Ti膜材料厚度與MR比之間關系的圖表；圖11為示出磁化自由層的CoFeB膜中Co成份與MR比之間關系的圖表；圖12為示出磁化自由層的CoFeB膜中Co成份與磁致伸縮之間關系的圖表；圖13為示出RA與MR比之間關系的圖表，MR比隨磁化自由層的CoFeB膜中B成份的參數而變化；圖14為示出磁化自由層的CoFeB膜中B成份與MR比之間關系的圖表；圖15為當從朝向磁記錄介質的磁頭表面側觀看時，磁頭的示意性前視圖；圖16為磁頭的示意性橫截面圖；圖17為用于說明成膜工藝步驟的主要部分的示意性橫截面圖；圖18為用于說明離子研磨工藝步驟的主要部分的示意性橫截面圖；圖19為用于說明填充工藝步驟的主要部分的示意性橫截面圖；圖20為MRAM主要部分的示意性橫截面圖。具體實施方式以下參照附圖詳細描述本發明，附圖中示出本發明的優選實施例。圖1為TMR元件實例的示意性橫截面圖。圖1中所示的TMR元件1包括基層2、反鐵磁層3、磁化固定層4、隧道阻擋層5、磁化自由層6以及覆蓋層7，這些層按照以上順序依次由下而上地形成。基層2由Ta膜和Ru膜組成的多層膜(Ta/Ru多層膜)、鎳鉻(NiCr)膜、或者由Ta膜和NiFe膜組成的多層膜(Ta/NiFe多層膜)形成。當基層2由Ta/Ru多層膜形成時，使用例如由厚約3nm的Ta膜和厚約2nm的Ru膜組成的多層膜。當基層2由NiCr膜形成時，使用厚約4nm的NiCr膜。當基層2由Ta/NiFe多層膜形成時，使用例如由厚約4nm的Ta膜和厚約2nm的NiFe膜組成的多層膜。反鐵磁層3例如由IrMn膜形成。IrMn膜例如厚約7nm。此外，反鐵磁層3不限于用IrMn膜形成，也可以用鉑錳(PtMn)膜、鈀鉑錳(PdPtMn)膜等形成。磁化固定層4通過由下而上依次沉積第一鐵磁層4a、非磁性層4b和第二鐵磁層4c(多層含鐵層)形成。第一鐵磁層4a由CoFe膜形成，其厚度設定為例如大約1.7nm。非磁性層4b由Ru膜形成，其厚度設定為例如大約0.7nm。第二鐵磁層4c由CoFeB膜形成，其厚度設定為例如大約2mn。注意磁化固定層4的第一鐵磁層4a稍后要經過適當的熱處理，以進行第一鐵磁層4a與其下面的反鐵磁層3之間的交換耦合，從而給予第一鐵磁層4a單向的磁各向異性。隧道阻擋層5形成于磁化固定層4之上(在所示實例中形成于第二鐵磁層4c之上)。隧道阻擋層5由MgO膜形成，其厚度設定為例如大約lnm。如上所述，用MgO膜而不是用A10膜來形成隧道阻擋層5，就可以在較低溫度下獲得具有出色結晶度的隧道阻擋層5，從而獲得更大的TMR效應。磁化自由層6形成于隧道阻擋層5之上。磁化自由層6由CoFeB膜形成，其厚度設定為例如大約3nm。如上所述，用CoFeB膜而不是用CoFe膜來形成磁化自由層6，就可以獲得更大的MR(磁阻)比。注意下文中將詳細描述形成磁化自由層6的CoFeB膜的厚度和成份。覆蓋層7形成于磁化自由層6之上。覆蓋層7例如由Ti膜形成，或者先用Ti膜作為底層，再在Ti膜上形成非Ti膜的其它金屬膜來形成。例如，可將在作為底層的Ti膜上依次形成Ta膜和Ru膜而構成的多層膜(Ti/Ta/Ru多層膜)用作覆蓋層7。當用Ti/Ta/Ru多層膜形成覆蓋層7時，將Ti膜厚度設定為大約2nm，Ta膜厚度設定為大約5nm，Ru膜厚度設定為大約10nm。覆蓋層7形成為使得其Ti膜與形成磁化自由層6的CoFeB膜相接觸。更具體而言，覆蓋層7的Ti膜直接設置在磁化自由層6的CoFeB膜之上。注意:下文中將詳細描述形成覆蓋層7的Ti膜的厚度。形成如上配置的TMR元件1的基層2、反鐵磁層3、磁化固定層4、隧道阻擋層5、磁化自由層6以及覆蓋層7的膜可通過濺射方法形成。例如，可在輸入功率為200W至1000W，氬(Ar)氣壓強為0.1Pa至0.5Pa的條件下，利用DC磁控管濺射在上述膜之外形成金屬膜和合金膜。此外，可在輸入功率為200W至IOOOW，氬氣壓強為O.lPa至0.5Pa的條件下，利用RF磁控管濺射在上述膜之外形成絕緣膜。在形成基層2至覆蓋層7的上述膜之后，如上所述，為了通過反鐵磁層3與第一鐵磁層4a之間的交換耦合給予第一鐵磁層4a單向的磁各向異性，將所形成的多層的TMR元件1在大約27(TC的溫度和大約2.0T的磁場中進行大約4小時的熱處理。之后，例如按照用途將TMR元件1圖案化為預定形狀。如上所述，在TMR元件1中，將MgO膜用于隧道阻擋層5，將CoFeB膜用于磁化自由層6。此外，緊接著CoFeB膜上面形成Ti膜以構成覆蓋層7。以下描述以膜的這種配置形成TMR元件時獲得的效應的研究結果。首先，為了對效應的研究，使用具有下表中所示膜配置的樣品X、Y和Z。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>在表1的樣品X中，由Ta膜(厚約5nm)和Ru膜(厚3nm)組成的多層膜形成基層。IrMn膜(厚約7nm)形成反鐵磁層。由CoFe膜(厚約1.5nm)、Ru膜(厚約0.7nm)以及CoFeB膜(厚約2nm)組成的多層膜形成磁化固定層。CoFe膜充當釘扎層(pinnedlayer)(對應于上述第一鐵磁層)，Ru膜充當非磁性層，而CoFeB膜充當基準層(對應于上述第二鐵磁層)。此外，MgO膜形成隧道阻擋層，該MgO膜的厚度根據情況而改變。CoFeB膜形成磁化自由層，該CoFeB膜的厚度根據情況在大約0nm至大約6nm的范預內(不包括0nm)變化，該CoFeB膜的成份根據情況而改變。由Cap膜(Cap-Ta，Ti，Ru，Mg，IrMn，Al,Cu;其厚度根據情況在大約Onm至大約5nm的范圍內變化)、Ta膜(厚約5nm)以及Ru膜(厚約10nm)組成的多層膜形成覆蓋層o此外，表l的樣品Y除了用CoFe膜(厚約3nm)作為磁化自由層外，其膜配置與樣品X相同。表l的樣品Z除了用AIO膜(厚約1.5nm)作為隧道阻擋層外，其膜配置與樣品X相同。樣品X、Y和Z都是通過在預定襯底(表1中未示出)上形成表1所示的相應的多層膜來獲得的。使用在AlTiC襯底或者硅(Si)襯底上形成的由銅(Cu)膜、Ta膜和Cu膜組成的多層膜(Cu/Ta/Cu多層膜)或者Ta/NiFe多層膜作為襯底。這些多層膜用作樣品X、Y和Z的下部端子。此外，當需要時，將這些多層膜進行CMP(化學機械拋光)處理，使其光滑。如上所述，在預定襯底上形成各個多層膜之后，為了進行上述交換耦合，在大約270。C的溫度和大約2.0T的磁場中進行大約4小時的熱處理。熱處理后，為了評估樣品X、Y和Z的MR特性，使用12個端子進行CIP(平面內電流)測量。此外，將各個樣品X、Y和Z進行4端子成型處理，在將襯底電勢保持恒定在50mV的條件下，利用基于4端子方法測量而形成的R-H曲線，可確定各元件的面積電阻(=電阻乂面積)RA以及MR比。注意4端子成型處理是通過以下程序進行首先，在襯底(上面形成有用作下部端子的膜)上形成多個膜，使得形成的多層膜具有表1所示的其中一種膜配置。然后，在形成的膜的整個表面使用抗蝕劑，用曝光機刻畫出下部端子的形狀，之后將未曝光部分去除，保留曝光部分，從而形成抗蝕劑掩模。然后，用離子研磨機對位于用作下部端子的多層膜上面的各層膜進行離子研磨，從而形成下部端子。將抗蝕劑掩模去除后，以同樣的方式進行上述程序一直到離子研磨步驟，以形成對應于TMR元件的部分。接著，形成大約30nm的硅氧化物(SiO)膜或者A10膜，將下部端子與上部端子(如下文所述)絕緣，而不去除用于離子研磨的抗蝕劑掩模。形成例如SiO膜之后，去除抗蝕劑掩模，以將抗蝕劑掩模上的SiO膜舉離(liftoff)，然后形成用于上部端子的膜，并將其圖案化以形成上部端子。利用經以上程序進行4端子成型處理的樣品X、Y和Z，通過測量形成R-H曲線，以確定各個樣品的RA和MR比。接著，參照圖2至圖6描述利用樣品X、Y和Z進行測量獲得的RA與MR比之間的關系。圖2為示出RA與MR比之間關系的圖表，MR比隨覆蓋層材料的參數而變化。圖3為示出覆蓋層材料與MR比之間關系的圖表。注意在圖2中，橫軸表示RA(Qum2)，縱軸表示MR比(％)。此外，在圖3中，橫軸表示覆蓋層材料，縱軸表示當RA等于3Qur^或者10Qun^時獲得的MR比(％)。注意通過改變隧道阻擋層厚度可改變RA(以下也如此)。圖2和圖3分別示出當使用表1的樣品X，改變樣品X的覆蓋層材料時MR比相對于RA的變化，以及覆蓋層材料與MR比之間的關系。更具體而言，圖2和圖3示出覆蓋層材料與MR比之間的關系，其是通過由MgO膜形成隧道阻擋層、由具有預定成份和厚度的CoFeB膜形成磁化自由層、以及通過改變緊接著CoFeB膜上面形成為預定厚度的覆蓋層材料的種類而確定的。根據圖2可知，不管用什么覆蓋層材料形成覆蓋層(該覆蓋層緊接在充當磁化自由層的CoFeB膜上面)，MR比都將隨著RA的增加而增加。此外，當使用Ti膜作為覆蓋層(該覆蓋層緊接在充當磁化自由層的CoFeB膜上面)材料時，與使用Ta膜等除Ti膜外的其它材料形成覆蓋層相比，能夠獲得更大的MR比。使用Ti膜作為緊接在CoFeB膜上面的覆蓋層材料時，與目前廣泛采用的Ta膜或Ru膜相比，MR比的最大值會高大約40%。圖3示出RA等于3Qun^與RA等于10QUm2時得到的MR比之間的比較結果，該結果是基于圖2緊接在磁化自由層的CoFeB膜上面的覆蓋層的各種材料而作出。注意RA等于或小于大約3QPm2的TMR元件例如可用于磁頭的讀取元件，RA大于10Qixi^的TMR元件例如可用于MRAM的存儲元件。根據圖3，顯然，不管RA是等于3Qur^還是等于10Qum2，當使用Ti膜作為緊接在磁化自由層的CoFeB膜上面的覆蓋層材料時，MR比變為最大。如上所述，將TMR元件配置為用MgO膜形成隧道阻擋層，用CoFeB膜形成磁化自由層，用Ti膜形成緊接在磁化自由層的CoFeB膜上面的覆蓋層，不管RA是多大，與使用除了Ti膜之外的Ta膜等其它材料形成緊接在CoFeB膜上面的覆蓋層相比，都能夠使MR比高很多。下面描述與結果在圖2、圖3示出的測量相似的測量的結果，該結果是當TMR元件的磁化自由層用CoFe膜形成、隧道阻擋層用AIO膜形成時獲得的。圖4為示出RA與MR比之間關系的圖表，當磁化自由層用CoFe膜形成時，MR比變化。圖5為示出覆蓋層材料與MR比之間關系的圖表，當磁化自由層用CoFe膜形成時，MR比變化。注意在圖4中，橫軸表示RA(Qlim2)，縱軸表示MR比(％)。此外，在圖5中，橫軸表示覆蓋層材料，縱軸表示當RA等于3Qun^或者10Qun^時獲得的MR比(％)。圖4和圖5示出當使用表1的樣品Y測量時確定的關系。更具體而言，圖4和圖5示出RA與MR比之間的關系、以及覆蓋層材料與MR比之間的關系，其是通過由MgO膜形成隧道阻擋層、由具有預定成份和厚度的CoFe膜形成磁化自由層、以及通過改變緊接著CoFe膜上面形成為預定厚度的覆蓋層材料(Cap膜)的種類而確定的。根據圖4和圖5可知，當用CoFe膜形成磁化自由層時，如果將Ti膜用作緊接在CoFe膜上面的覆蓋層材料，與使用Cu膜代替Ti膜時相比，能夠獲得更大的MR比。但是，已發現與使用Ta膜等其它材料而不是Ti膜時相比，MR比將變小。圖6為示出RA與MR比之間關系的圖表，當隧道阻擋層用AIO膜形成時，MR比變化。注意在圖6中，橫軸表示RA(Qum2)，縱軸表示MR比(％)。圖6示出當使用表1的樣品Z測量時確定的關系。更具體而言，圖6示出RA與MR比之間的關系，其是通過由A10膜形成隧道阻擋層、由具有預定成份和厚度的CoFeB膜形成磁化自由層、以及通過使用Ti膜或者Ta膜作為緊接著CoFeB膜上面形成為預定厚度的覆蓋層材料(Cap膜)而確定的。根據圖6可知，當使用Ti膜作為緊接在磁化自由層的CoFeB膜上面的覆蓋層材料時MR比相對于RA發生的變化，與使用Ta膜作為覆蓋層材料時MR比發生的變化基本上相等。注意圖6中，在RA超過大約4.5Qum2的區域，使用Ti膜時獲得的MR比與使用Ta膜時獲得的MR比之間的差別，是由于Ti膜的最佳氧化時間與Ta膜的最佳氧化時間之間的差別所導致的。如上所述，根據圖2至圖6示出的結果可知，當使用Ti膜作為緊接在磁化自由層上面的覆蓋層材料時，使用CoFeB膜作為磁化自由層來改善MR比是有效的。此外，當使用Ti膜作為緊接在磁化自由層上面的覆蓋層材料時，在使用CoFeB膜作為磁化自由層的同時使用MgO膜作為設置在下面的隧道阻擋層，對于改善MR比更加有效。下面，參照圖7至圖14描述對形成磁化自由層的CoFeB膜的厚度、用作覆蓋層材料的Ti膜的厚度以及CoFeB膜的成份的研究結果。圖7為示出RA與MR比之間關系的圖表，MR比隨磁化自由層的CoFeB膜的厚度參數而變化。圖8為示出形成磁化自由層的CoFeB膜的厚度與MR比之間關系的圖表。注意在圖7中，橫軸表示RA(Qum2)，縱軸表示MR比(％)。此外，在圖8中，橫軸表示CoFeB膜的厚度(nm)，縱軸表示當RA等于20Qum^寸獲得的MR比(％)(有些數據除外)。圖7和圖8示出當使用表1的樣品X測量時確定的關系。更具體而言，圖7和圖8示出RA與MR比之間的關系、以及覆蓋層材料的厚度與MR比之間的關系，其是通過由MgO膜形成隧道阻擋層、由具有預定成份和厚度的CoFeB膜形成磁化自由層、以及通過形成Ti膜或者Ta膜作為緊接著CoFeB膜上面形成為預定厚度的覆蓋層材料(Cap膜)而確定的。這里，對于緊接在CoFeB膜上面的覆蓋層材料為Ti膜或者Ta膜的情況，磁化自由層的CoFeB膜的厚度分別取2nm、4nm以及6nm。根據圖7和圖8可知，當使用Ta膜作為覆蓋層材料時，隨著CoFeB膜的厚度增加，MR比將變小。另一方面，當使用Ti膜作為覆蓋層材料時，TMR元件的MR比基本上不隨CoFeB膜厚度的變化而變化。此外，當使用Ti膜作為覆蓋層材料時，與使用Ta膜作為覆蓋層材料相比，MR比將變大。按照對TMR元件特性的要求，需要將作為磁化自由層的CoFeB膜的厚度控制為最佳值。例如，當TMR元件用作磁頭的讀取元件時，在磁化自由層附近設置磁疇控制膜，以控制磁化自由層的磁化方向。在這種情況下，為了使磁疇控制膜的剩磁與磁化自由層的磁化之間取得平衡，必須將磁化自由層的厚度設計為最佳厚度。更具體而言，在磁頭的讀取元件中，磁化自由層的厚度必須為最佳，但是如圖7和圖8所示，當使用Ta膜作為讀取元件的覆蓋層材料時，得到的MR比將變得較小，并且當作為磁化自由層的CoFeB膜的厚度更大時，MR比將變得更小。相反，當使用Ti膜作為讀取元件的覆蓋層材料時，如圖7和圖8所示，得到的MR比大，并且MR比的變化對CoFeB膜的厚度變化不敏感。但是，按照對讀取元件特性的要求，易于設計磁化自由層，使其具有最佳厚度。從實用的角度，將CoFeB膜的厚度設定為大約0.5nm至6nm，優選為0.5nm至4nm。當CoFeB膜的厚度小于0.5nm時，難以控制膜厚，因此CoFeB膜會變成島形膜。此外，當CoFeB膜的厚度小于0.5nm時，緊接在CoFeB膜上面的覆蓋層的元素可能會擴散到CoFeB膜中，從而導致其磁性退化或喪失。從這一點出發，優選將CoFeB膜的厚度設定為不小于0.5nm。此外，雖然應考慮對TMR元件特性的要求來設定CoFeB膜厚度的上限，但實際上，這個值設定為不大于6nm。圖9為示出RA與MR比之間關系的圖表，MR比隨覆蓋層的Ti膜材料的厚度參數而變化。圖10為示出覆蓋層的Ti膜材料厚度與MR比之間關系的圖表。注意在圖9中，橫軸表示RA(Qum2)，縱軸表示MR比(％)。此外，圖10中，橫軸表示Ti膜的厚度(nm)，縱軸表示當RA等于3Qum2或者20Qum2時獲得的MR比(％)。圖9和圖IO示出當使用表I的樣品X測量時確定的關系。更具體而言，圖9和圖IO分別示出RA與MR比之間的關系、以及Ti膜的厚度與MR比之間的關系，其是通過由MgO膜形成隧道阻擋層、由具有預定成份和厚度的CoFeB膜形成磁化自由層、以及通過改變作為緊接著CoFeB膜上面形成的覆蓋層材料(Cap膜)的Ti膜厚度而確定的。Ti膜的厚度分別取0nm、0.5nm、lnm、2nm以及3nm。圖9和圖IO示出，不管RA是等于3Qyn^還是等于20Qum2，MR比將單調上升直到Ti膜的厚度達到大約lnm為止，當Ti膜的厚度超過lnm時，MR比將趨于飽和。因此，不管RA多大，如果只形成薄Ti膜，與沒有形成Ti膜相比，可使MR比有效增大。但是，考慮到形成Ti膜過程中的可控制性，將Ti膜的厚度設定為不小于0.5nm，優選不小于lnm。特別地，將Ti膜的厚度設定為不小于lnm時，如圖9和圖10所示，不管厚度為多少，都能獲得穩定的MR比。注意雖然應考慮對TMR元件特性的要求來設定Ti膜厚度的上限，但實際上，這個值設定為不大于5nm。圖11為示出磁化自由層的CoFeB膜中Co成份與MR比之間關系的圖表。圖12為示出磁化自由層的CoFeB膜中Co成份與磁致伸縮之間關系的圖表。注意在圖11中，橫軸表示CoxFe8o.xB2。膜的Co成份(原子％)，縱軸表示當RA等于3Q^n^時獲得的MR比(％)。此外，在圖12中，橫軸表示CoxFes。.xB2()膜的Co成份(原子％)，縱軸表示磁致伸縮入(X10-6)。圖11和圖12示出當使用表1的樣品X測量時確定的關系。更具體而言，圖11示出Co成份與MR比之間的關系，其是通過由MgO膜形成隧道阻擋層、當改變CoFeB的成份時形成磁化自由層至預定厚度、以及通過由Ti膜或Ta膜在緊接著CoFeB膜上面形成覆蓋層材料(Cap膜)至預定厚度而確定的。此外，圖12示出CoFeB膜的Co成份與磁致伸縮之間的關系，其是通過由MgO膜形成隧道阻擋層、以及緊接著CoFeB膜(其成份發生變化、并具有預定厚度)上面形成具有預定厚度的Ti膜作為覆蓋層材料、然后在膜形成后分別在27(TC和30(TC的條件下進行熱處理而確定的。首先，根據圖11可知，雖然不管覆蓋層材料是由Ti膜還是由Ta膜形成，MR比都將隨著Co成份的增加而減少，但是在被檢査的Co成份區域，與使用Ta膜相比，使用Ti膜時的MR比更大。換而言之，與使用Ta膜相比，當使用Ti膜作為覆蓋層材料時能獲得更大的MR比，這與磁化自由層的CoFeB膜的成份無關。此外，根據圖12可知，不管熱處理溫度是27(TC還是30(TC，當Co成份的原子百分比是75%時，即磁化自由層由Q)75Fe5B2j莫形成時，磁致伸縮降至零。將TMR元件用作磁頭的讀取元件時，磁致伸縮被認為是由于形成TMR元件時產生的應力而導致磁各向異性的原因之一。當磁化自由層中產生磁各向異性時，磁化自由層對外部磁場的反應退化，從而在讀取元件中產生噪音或者降低其靈敏度。為了消除不便，將TMR元件用作磁頭的讀取元件時，希望TMR元件磁化自由層的CoFeB膜所采用的成份產生的磁致伸縮基本為零。如上所述，根據圖12可知，當使用Co75Fe5B2o膜作為磁化自由層時，磁致伸縮降為零，如果設置具有這種成份的磁化自由層，并且用Ta膜形成覆蓋層材料，那么當RA等于3Q"m4寸，MR比將變為低于40%，如圖11所示。相反，如果設置具有這種成份的磁化自由層，并且用Ti膜形成覆蓋層材料，如圖11所示，當RA等于3Qum"時，MR比將變為高于50X，那么就可以使用這樣的TMR元件作為靈敏磁頭的讀取元件，而不會帶來任何問題。根據上述，可知將TMR元件作為磁頭的讀取元件時，使用MgO膜作為隧道阻擋層、使用CoFeB膜作為磁化自由層、使用Ti膜作為緊接在磁化自由層上面的覆蓋層材料是有效的。在這種情況下，當CoFeB膜的B成份的原子百分比設定為20%時，如上所述，考慮到磁致伸縮和獲得的MR比，將CoFeB膜的Co成份的原子百分比設定為大約60%至80%(Fe成份的原子百分比設定為0%至20%)，優選為大約60%至75%(Fe成份的原子百分比設定為5%至20%)，更優選為75%(Fe成份的原子百分比設定為5X)。注意將TMR元件用作MRAM的存儲元件時，由于磁化自由層的磁致伸縮對TMR元件的特性沒有實質影響，考慮到獲得的MR比，只需要使用具有最佳成份的CoFeB膜。圖13為示出RA與MR比之間關系的圖表，MR比隨磁化自由層的CoFeB膜中B成份的參數而變化。圖14為示出磁化自由層的CoFeB膜中B成份與MR比之間關系的圖表。注意在圖13中，橫軸表示RA(Qym2)，縱軸表示MR比(％)。此外，在圖14中，橫軸表示CoFeB膜的B成份(原子。％)，縱軸表示當RA等于20Qun^時獲得的MR比(％)。但是，圖13和圖14示出表1的樣品X的測量結果，樣品X上面沒有形成Cap膜，也就是說，樣品X具有由Ta/Ru多層膜形成的覆蓋層。根據圖13可知，當CoFeB膜的B成份的原子百分比不低于5X時，獲得高MR比。此外，根據圖14可知，當RA等于20Q111112時，如果B成份的原子百分比低于5%，則MR比為大約140X，如果B成份的原子百分比不低于5%，則MR比變為恒定在大約165%。據此，優選地，將CoFeB膜的B成份的原子百分比設定為不低于5X。此夕卜，考慮到MR比以及如圖11和圖12所示的Co和Fe成份(即磁致伸縮)，優選地，將CoFeB膜的B成份的原子百分比設定為5%與25%之間的值。對于用Ti/Ta/Ru多層膜形成覆蓋層的情況也是如此。如上所述，將TMR元件配置為用MgO膜形成隧道阻擋層，用CoFeB膜形成磁化自由層，用Ti膜形成緊接在磁化自由層的CoFeB膜上面的覆蓋層，則與緊接在CoFeB膜上面使用除了Ti膜之外的Ta膜等其它材料相比，能夠使TMR元件的MR比高很多。在這種情況下，根據對TMR元件特性的要求，通過適當地設定CoFeB膜的厚度、成份以及Ti膜的厚度，不僅可以進一步提高TMR元件的MR比，還可以通過這樣的設定來控制MR比。以下分別描述將如上配置的TMR元件應用于磁頭和MRAM的情況。首先描述將如上配置的TMR元件應用于磁頭的實例。圖15為當從朝向磁記錄介質的磁頭表面側觀看時，磁頭的示意性前視圖。圖16為磁頭的示意性橫截面圖。如圖15和圖16所示，磁頭10配置為讀取元件20夾持在下部磁屏蔽層12與上部磁屏蔽層13之間，主磁極層14和輔磁極層15設置在充當滑動器(slider)的電路板11上，位于磁頭IO朝向磁記錄介質、即朝向ABS(空氣軸承表面)的表面側，ABS如圖16中的虛線所示。如圖16所示，主磁極層14形成為部分位于主磁極支撐層16上。主磁極支撐層16與上面形成的輔磁極層15通過連接層17相互連接。此外，多個線圈18a、18b、18c、18d設置為延伸在主磁極層14和主磁極支撐層16與輔磁極層15之間。上述TMR元件用作如上配置的磁頭10的讀取元件20。注意下部磁屏蔽層12、讀取元件20、上部磁屏蔽層13、主磁極支撐層16、主磁極層14、連接層17、線圈18a、18b、18c、18d以及輔磁極層15之間的主要部分填充了絕緣膜、例如AIO膜，但未示出。下面，主要參照讀取元件20描述如上配置的磁頭10的形成方法。圖17至圖19為用于說明磁頭的讀取元件的形成方法的示意圖。圖17為用于說明成膜工藝步驟的主要部分的示意性橫截面圖。圖18為用于說明離子研磨工藝步驟的主要部分的示意性橫截面圖。圖19為用于說明填充工藝步驟的主要部分的示意性橫截面圖。注意圖17至圖19都是從ABS側觀看的示意性橫截面圖。首先，如圖17所示，在充當滑動器的非磁性電路板11(例如AlTic電路板)上形成AIO膜(未示出)，然后在AlO膜上形成例如由NiFe制成的下部磁屏蔽層12，使得其厚度約為2ym至3um。下部磁屏蔽層12具有磁屏蔽功能，同時充當讀取元件20的下部端子。在如上述配置的下部磁屏蔽層12上形成讀取元件20。形成讀取元件20的膜通過濺射方法形成。在下部磁屏蔽層12上，首先，形成厚5nm或5nm以上的基層21。基層21例如由Ta/Ru多層膜、NiCr膜或者Ta/NiFe多層膜形成。或者，也可以使用鎳鐵鉻(NiFeCr)膜形成基層21。然后，在基層21上形成厚約5nm的反鐵磁層22。反鐵磁層22例如由IrMn膜、PtMn膜或者PdPtMn膜形成。隨后，在反鐵磁層22上形成厚約1.5nm的CoFe膜作為第一鐵磁層23a，再在CoFe膜上形成厚約0.7nm的Ru膜作為非磁性層23b。然后，在Ru膜上形成厚約2.5nm的CoFeB膜作為第二鐵磁層23c。第一鐵磁層23a、非磁性層23b以及第二鐵磁層23c形成磁化固定層23。然后，在磁化固定層23上形成厚約lnm的MgO膜作為隧道阻擋層24，再在MgO膜上形成厚約3nm的CoFeB膜作為磁化自由層25。然后，在磁化自由層25上形成厚2nm或2nm以上的Ti膜作為覆蓋層26，再在Ti膜上由下而上依次形成厚約5nm的Ta膜以及厚約10nm的Ru膜，從而形成Ti/Ta/Ru多層膜。如上所述，按照以上順序形成基層21、反鐵磁層22、磁化固定層23、隧道阻擋層24、磁化自由層25以及覆蓋層26，從而形成圖17所示的TMR膜。在如上形成的TMR膜上，用光致抗蝕劑方法形成具有預定形狀的抗蝕劑掩模(未示出)，然后在TMR膜上進行離子研磨直到暴露出下部磁屏蔽層12為止，從而將TMR膜形成如圖18所示的形狀。上述處理形成了讀取元件20。在上述處理之后，如圖19所示，首先，通過濺射方法在電路板ll的整個表面上形成厚3nm至10nm的絕緣膜31，并留下抗蝕劑掩模。之后，通過濺射方法在絕緣膜31上沉積鈷鉻鉑(CoCrPt)，在讀取元件20的相對側上經由絕緣膜31形成磁疇控制膜32。隨后，去除抗蝕劑掩模，將絕緣膜31和磁疇控制膜32位于覆蓋層26上表面上的部分舉離。將磁疇控制膜32的表面平坦化之后，在讀取元件20和磁疇控制膜32上形成例如由NiFe制成的上部磁屏蔽層13，使得上部磁屏蔽層13厚約2um至3"m。上部磁屏蔽層13不僅具有磁屏蔽功能，還充當讀取元件20的上部端子。通過上述工藝步驟，完成磁頭10的再現頭部分的基本配置。之后，如圖15和圖16所示，首先，通過濺射方法在整個表面上形成AIO膜等，然后利用選擇性電解電鍍方法形成由NiFe制成、厚約lum至3wm(例如lum)的主磁極支撐層16。注意這里省略電解電鍍工藝步驟的詳細描述。隨后，通過濺射方法在整個表面上形成A10膜等，然后將其平坦化至主磁極支撐層16表面的高度，從而將主磁極支撐層16的ABS側上面形成的凹部填充。這樣，主磁極支撐層16配置為不暴露于ABS。然后，通過濺射方法形成包括垂直磁化膜和軟磁性膜的主磁極層14，并利用具有預定形狀的抗蝕劑掩模對其進行離子研磨。之后，依次形成線圈18a、18b、18c、18d、連接層17、輔磁極層15等，同時形成AIO膜等。在形成再現頭部分后，通過進行上述工藝步驟，完成磁頭10的記錄頭部分的基本配置。在如上形成的磁頭10中，磁化自由層25的磁化方向根據基于記錄在磁記錄介質中的信息產生的磁場而改變，從而改變讀取元件20的電阻值。電阻值的變化被電性檢測，從而讀取記錄在磁記錄介質中的信息。下面描述將TMR元件應用于MRAM的實例。圖20為MRAM主要部分的示意性橫截面圖。如圖20所示，在MRAM40中，TMR元件50作為存儲元件設置在位線41(用于讀取/寫入)與字線42(用于寫入)的交叉位置上，從而形成存儲單元。通常，在MRAM40中，將多個TMR元件50設置在以矩陣形式排列的多個位線41與多個字線42之間的各個交叉位置上，從而在MRAM中設置大量存儲單元。各TMR元件50包括布線層51、反鐵磁層52、磁化固定層53、隧道阻擋層54、磁化自由層55、覆蓋層56，它們從位線41側依次形成。磁化固定層53由第一鐵磁層53a、反鐵磁層53b、第二鐵磁層53c組成的多層結構形成。TMR元件50設置有Ti膜作為覆蓋層材料，與磁化自由層55相接觸。這樣可以實現高MR比，即高能MRAM40。此外，MRAM40設置有開關晶體管43，用于在讀取時選擇存儲單元。開關晶體管43形成為例如MOS(金屬氧化物半導體)場效應晶體管，柵電極43b經由柵極絕緣膜43a形成于半導體襯底44上。源/漏區43c形成于柵電極43b的相對兩側。開關晶體管43經由插塞45a、45b、45c、45d以及布線層46a、46b、46c、46d電連接至TMR元件50的磁化自由層55，其中插塞45a、45b、45c、45d連接至源/漏區43c中的一個區。注意在形成于半導體襯底44上的開關晶體管43、插塞45a、45b、45c、45d、布線層46a、46b、46c、46d、字線42、TMR元件50以及位線41之間填充了絕緣膜47(例如SiO)。TMR元件50可通過用濺射方法形成各個層，然后將各層圖案化為預定形狀而形成。形成MRAM40其它部分的位線41、字線42、開關晶體管43、插塞45a、45b、45c、45d、布線層46a、46b、46c、46d、絕緣膜47等可按照傳統的半導體工藝形成。在MRAM40中，根據磁化自由層55與磁化固定層53的磁化方向是平行(TMR元件50的電阻小)還是逆平行(TMR元件50的電阻大)，來定義信息"1"和"0"。寫入信息時，當通過由流經特定位線41和特定字線42的電流產生的合成磁場，來轉化特定TMR元件50的磁化自由層55的磁化方向時，根據磁化方向，信息"1"和"0"被寫入各個特定的TMR元件50。此外，讀出信息時，利用位線41和開關晶體管43，允許電流流過各個特定的TMR元件50，確定特定TMR元件50的電阻是否為大電阻，從而讀出記錄在各個特定的TMR元件50中的信息。注意上述配置的磁頭10以及MRAM40是作為實例提出，因此本發明也可以類似地應用于其它配置的磁頭和MRAM。本發明中，TMR元件是這樣形成的在磁化固定層上形成隧道阻擋層，在隧道阻擋層上形成CoFeB膜的磁化自由層，然后在磁化自由層上形成覆蓋層，使覆蓋層的Ti膜與磁化自由層相接觸。這樣可以增加TMR元件的MR比。此外，利用如上配置的TMR元件作為磁頭的讀取元件和磁存儲器的存儲元件，可以提高磁頭和磁存儲器的性能。-.以上僅視作本發明原理的示例。此外，由于對于本領域技術人員來說易于構思出多種改型和變型，所以不希望將本發明限制于所示和所描述的具體構造和應用，因此，所有適當的改型和等同物均視作落入本發明所附權利要求及其等同范圍之內。權利要求1、一種隧道磁阻元件，包括磁化固定層，其磁化方向固定；隧道阻擋層，形成在所述磁化固定層上；磁化自由層，形成在所述隧道阻擋層上，且由CoFeB膜形成，使得所述磁化自由層的磁化方向可變；覆蓋層，包括Ti膜，并形成在所述磁化自由層上，使得所述Ti膜與所述磁化自由層相接觸。2、如權利要求1所述的隧道磁阻元件，其中，所述隧道阻擋層由MgO膜形成。3、如權利要求1所述的隧道磁阻元件，其中，所述CoFeB膜具有原子百分比為60%至80%的Co成份。4、如權利要求3所述的隧道磁阻元件，其中，所述CoFeB膜具有原子百分比為20X的B成份。5、如權利要求1所述的隧道磁阻元件，其中，所述CoFeB膜具有原子百分比為5X至25X的B成份。6、如權利要求1所述的隧道磁阻元件，其中，所述磁化自由層的厚度為0.5nm至6nm。7、如權利要求1所述的隧道磁阻元件，其中，所述覆蓋層的厚度為0.5nm至5niru8、一種磁頭，使用隧道磁阻元件作為讀取元件，其中，所述隧道磁阻元件包括磁化固定層，其磁化方向固定；隧道阻擋層，形成在所述磁化固定層上；磁化自由層，形成在所述隧道阻擋層上，且由CoFeB膜形成，使得所述磁化自由層的磁化方向可變；覆蓋層，包括Ti膜，并形成在所述磁化自由層上，使得所述Ti膜與所述磁化自由層相接觸。9、如權利要求8所述的磁頭，其中，所述隧道阻擋層由MgO膜形成。10、如權利要求8所述的磁頭，其中，所述CoFeB膜具有原子百分比為60%至80%的0)成份。11、如權利要求8所述的磁頭，其中，所述CoFeB膜具有原子百分比為5X至25X的B成份。12、如權利要求8所述的磁頭，其中，所述磁化自由層的厚度為0.5nm至6nm。13、如權利要求8所述的磁頭，其中，所述覆蓋層的厚度為0.5mn至5nm。14、一種磁存儲器，使用隧道磁阻元件作為存儲元件，其中，所述隧道磁阻元件包括磁化固定層，其磁化方向固定；隧道阻擋層，形成在所述磁化固定層上；磁化自由層，形成在所述隧道阻擋層上，且由CoFeB膜形成，使得所述磁化自由層的磁化方向可變；覆蓋層，包括Ti膜，并形成在所述磁化自由層上，使得所述Ti膜與所述磁化自由層相接觸。15、如權利要求14所述的磁存儲器，其中，所述隧道阻擋層由MgO膜形成。16、如權利要求14所述的磁存儲器，其中，所述CoFeB膜具有原子百分比為60%至80%的0>成份。17、如權利要求14所述的磁存儲器，其中，所述CoFeB膜具有原子百分比為5X至25X的B成份。18、如權利要求14所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層的厚度為0.5nm至6nm。19、如權利要求14所述的磁存儲器，其中，所述覆蓋層的厚度為0.5nm至5nm。全文摘要本發明提供一種具有大MR比的隧道磁阻(TMR)元件。這種TMR元件在磁化固定層與磁化自由層之間形成有隧道阻擋層，在磁化自由層上設置有覆蓋層。隧道阻擋層由MgO膜形成。磁化自由層由CoFeB膜形成。覆蓋層通過緊接在CoFeB膜上面形成Ti膜而形成，使得Ti膜與CoFeB膜相接觸。這樣可以大大提高TMR元件的MR比。此外，將這種TMR元件應用于磁頭和磁存儲器(MRAM)，可以改善磁頭和MRAM的性能。文檔編號H01L43/08GK101154708SQ20071015318公開日2008年4月2日申請日期2007年9月28日優先權日2006年9月28日發明者佐藤雅重,指宿隆弘,梅原慎二郎申請人:富士通株式會社