本发明通常涉及磁电阻器件，并且更具体地说，涉及使用交换耦合反铁磁性/铁磁性(AF/F)结构的磁电阻器件，例如电流在平面内的(current-in-the-plane)(CIP)读磁头和电流垂直于平面的(current-perpendicular-to-plane)(CPP)磁性隧道结和读磁头。

由相邻反铁磁性(AF)薄膜引起的铁磁性(F)薄膜的磁偏置的现象已经被证明在磁器件中具有很多有用的应用，并由W.H.Meiklejohn和C.P.Bean首先在Phys.Rev.102，1413(1959)中做了报道。而铁磁性单层薄膜的磁滞回线以零磁场为中心，一种F/AF交换耦合结构显示被交换偏磁场从零磁场偏移的不对称磁滞回线。除F薄膜的磁滞回线的偏移之外，F/AF交换耦合结构中的F薄膜通常在低于AF薄膜的阻塞(blocking)温度下表现增加的矫顽力。阻塞温度通常接近但低于AF薄膜的Neel或磁有序温度。决定交换偏磁场和增加的矫顽磁场大小的详细机制是由F和AF薄膜之间的界面交互作用引起的。
使用交换耦合结构的最普通的CIP磁电阻器件是用作磁记录磁盘驱动器的读磁头的自旋阀(SV)型巨磁电阻(GMR)传感器。SV GMR磁头具有通过非常薄的非磁性导电间隔层分隔的两铁磁层，这种间隔层通常为铜，其中在层面内的检测电流的电阻率决定于两铁磁层中的磁化相对取向。一铁磁层(“自由”层)的磁化或磁矩方向在存在来自记录数据的磁场的情况下可以自由旋转，而另一铁磁层(“被固定”或“被钉扎”层)具有与相邻反铁磁层交换耦合而固定的磁化。被钉扎铁磁层和相邻反铁磁层形成交换耦合结构。
一种提出的使用交换耦合结构的CPP磁电阻器件为磁性隧道结(MTJ)器件，该器件具有通过非常薄的非磁性绝缘隧道间隔层分隔的两铁磁层，这种间隔层通常为氧化铝，其中垂直通过铁磁层的隧道电流决定于两铁磁层中的磁化相对取向。MTJ已经被建议用于磁电阻传感器，例如磁记录磁盘驱动器读磁头，和磁随机存取存储器(MRAM)的非易失性存储元件或单元中。在例如CIP SV GMR传感器之类的MTJ器件中，一铁磁层通过与相邻反铁磁层的交换耦合具有被固定的磁化，导致交换耦合结构。
另一种使用交换耦合结构的CPP磁电阻器件为被建议用作磁记录读磁头的SV GMR传感器。所建议CPP SV读磁头在结构上与被广泛应用的CIP SV读磁头类似，主要差别在于检测电流被控制垂直通过两铁磁层和非磁性间隔层。A.Tanaka等人在2002年1月IEEETRANSACTIONS ON MAGNETICS，38(1)84-88页Part1题为“Spin-valve heads in the current-perpendicular-to-plane mode forultrahigh-density recording”的论文中说明CPP SV读磁头。
在这些种类的磁电阻器件中，与非磁性间隔层相邻的铁磁材料的高自旋极化对高磁电阻而言必不可少。用于自由和被钉扎铁磁层的最普通型的材料为Co、Fe和Ni的常规合金，但是这些合金仅具有大约40％的较低的自旋极化。最近，具有近100％自旋极化的某些半金属铁磁性哈斯勒合金已经被提出。最近被报道的这种合金为Co2Cr0.6Fe0.4Al合金(T.Block，C.Felser和J.Windeln在4月28-5月2日荷兰阿姆斯特丹IEEE国际磁会议发表的题为“Spin PolarizedTunneling at Room Temperature in a Huesler Compound-A non-oxide Material with a Large Negative Magnetoresistance Effect inLow magnetic Fields”的论文)。其它半金属铁磁性哈斯勒合金为已经被建议作为位于CIP SV读磁头的铁磁层中的“镜面反射”层的NiMnSb和PtMnSb，如在已公布专利申请书US 2002/0012812 A1中所述。对半金属铁磁性哈斯勒合金NiMnSb而言，当它被沉积在FeMn反铁磁性材料层上时未观测到交换偏置，如J.A.Cabailero等人在1998年J.Vac.Sci.Technot.A16第1801-1805页的题为“Magnetoresistance of NiMnSb-based multilayer and spin-valves”的论文中所报道的那样。在因特网上可查到的未标注日期的一篇文章中，在不需要与反铁磁层的交换耦合的情况下据推测观测到某多层半金属铁磁性哈斯勒合金的交换偏置，如K.Westerholt等人在“Exchange Bias in[Co2MnGe/Au]n，[Co2MnGe/Cr]n和[Co2MnGe/Cu2MnAl]nMultilayers”中所报道的那样。
所需要的是一种具有包括半金属铁磁性哈斯勒合金的交换耦合结构的磁电阻器件。

本发明为一种具有使用接近100％自旋极化的半金属铁磁性哈斯勒合金作为铁磁(F)层的交换耦合反铁磁性/铁磁性(AF/F)结构的磁电阻器件。交换耦合结构包括F和AF之间的中间铁磁层，这使得半金属哈斯勒合金F层显示交换偏置。在一种实施方式中，半金属铁磁性哈斯勒合金为Co2FexCr(1-x)Al，中间铁磁层为Co90Fe10，而反铁磁层为PtMn。可以结合交换耦合结构的磁电阻器件包括电流在平面内的(CIP)读磁头和电流垂直于平面的(CPP)磁性隧道结和读磁头。交换耦合结构在磁电阻器件中可以位于非磁间隔层的下部或上部。
为了更全面地理解本发明的特性和优点，应该参照下文的详细说明及附图。

图1为现有技术的包含磁电阻(MR)读磁头部件和感应写磁头部分的集成读/写磁头的剖面图。
图2A为按照本发明的作为MTJ MR读磁头的CPP磁电阻器件的剖面图，该剖面表示如果沿图1中线42所示边界的平面取截面并从磁盘表面看去的视图。
图2B的剖面图与图2A的视图垂直，并且器件的传感面向右。
图3为哈斯勒合金的结晶晶胞的示意图。
图4表示按照本发明具有中间铁磁层的交换耦合结构的多种实施例和没有中间铁磁层的结构的磁滞回线。
图5表示作为中间铁磁层厚度的函数的按照本发明的交换耦合结构的正(H+)和负(H-)翻转磁场。
图6表示对于厚度为6的中间Co90Fe10层作为Co50Fe10Cr15Al25半金属铁磁性哈斯勒合金层厚度的函数的按照本发明的交换耦合结构的正(H+)和负(H-)翻转磁场。
图7表示对于厚度为12的中间Co90Fe10层作为Co50Fe10Cr15Al25半金属铁磁性哈斯勒合金层厚度的函数的按照本发明的交换耦合结构的正(H+)和负(H-)翻转磁场。

现有技术图1为包含磁电阻(MR)读磁头部件和感应写磁头部分的集成读/写磁头25的剖面示意图。磁头25被搭接(lap)以形成磁头托架的检测表面，例如空气支承滑动器型磁头托架的空气支承表面(ABS)。检测表面或ABS被从磁盘驱动器中的旋转动磁盘的表面分离开。读磁头包括被夹在第一和第二间隙层G1和G2之间的MR传感器40，而第一和第二间隙层G1和G2又被夹在第一和第二磁屏蔽层S1和S2之间。从MR传感器40引出与传感电路连接的电导体(未示出)与MR传感器40接触并位于MR传感器40和间隙层G1，G2之间。间隙层G1，G2从而将电导线从磁屏蔽层S1，S2电绝缘。写磁头包括夹在绝缘层I1和I3之间的线圈层C和绝缘层12，而绝缘层I1和I3又被夹在第一和第二极片P1和P2之间。间隙层G3被夹在极尖靠近ABS的第一和第二极片P1，P2之间，以提供磁隙。在写操作过程中，信号电流被通过线圈层C传导，并且磁通量被引入第一和第二极层P1，P2导致磁通量边缘穿过ABS处的极尖。该磁通量在写操作过程中磁化转动磁盘上的数据磁道区域。在读操作过程中，转动磁盘上的被磁化区将磁通量注入读磁头的MR传感器40，导致MR传感器40中的电阻变化。该电阻变化通过检测沿MR传感器40的电压变化而被检测。电压变化被磁盘驱动器电子设备处理并被转换为用户数据。图1所示的组合磁头25为“合并”磁头，其中读磁头的第二屏蔽层S2被用作写磁头的第一极片P1。在级联(piggyback)磁头(未显示)中，第二屏蔽层S2和第一磁极片P1为分离层。MR传感器40可以为CIP SV GMR读磁头、MTJ读磁头或CPP SV GMR读磁头。
优选实施方式图2A为按照本发明的作为MTJ MR读磁头的CPP磁电阻器件的剖面图，该剖面表示如果沿图1中线42所示边界的平面取截面并从磁盘表面看去的视图。因此图2A的纸面为平行于ABS的平面，并且实质上通过MTJ MR读磁头的有源传感区域，即隧道结，以暴露组成磁头的层。图2B的剖面图与图2A的视图垂直，并且具有向右的传感面200或ABS。参照图2A-2B，MTJ MR读磁头包括直接被形成在第一磁屏蔽S1之上的导电间隔层102、在第二磁屏蔽S2下面并与之直接接触的导电间隔层104、和在导电间隔层102、104之间形成叠层的MTJ 100。在这种实施方式中，磁屏蔽S1，S2同时起到磁屏蔽和连接MTJ 100至检测电路的电导线的作用。这在图2A中通过箭头显示，表示检测电流流经第一屏蔽S1，垂直通过间隔层102、MTJ 100、间隔层104，并从第二屏蔽S2流出的方向。
MTJ 100包括按照本发明的交换耦合结构110。结构110包括铁磁层118，铁磁层118的磁矩由交换偏置通过中间铁磁层116被钉扎至反铁磁层112。铁磁层118被称作固定或被钉扎层，因为在感兴趣的所需范围内外加磁场的情况下它的磁矩或磁化方向(箭头119)被阻止旋转。MTJ 100也包括在被钉铁磁层118上的通常由铝形成的绝缘隧道势垒层120，和在势垒层120上的上自由铁磁层132。压盖(capping)层134位于自由铁磁层132的上部。自由或传感铁磁层132未被交换耦合至反铁磁层，因此它的磁化方向(箭头133)在感兴趣的所需范围内外加磁场的情况下可以自由旋转。制作传感铁磁层132以使其磁矩或磁化方向(箭头133)在不外加磁场的情况下被取向为通常平行于ABS(ABS为平行于图2A的纸面的平面，并在图2B中被示为200)，并通常垂直于被钉扎铁磁层118的磁化方向。被钉扎铁磁层118的磁化方向被取向为通常垂直于ABS，即伸出或进入图2A中的纸面(如箭头119所示)。
检测电流I被从组成第一屏蔽S1的导电材料引导至第一间隔层102，垂直通过交换耦合结构110、隧道势垒层120、和传感铁磁层132，并随后到达第二间隔层104，并通过第二屏蔽S2流出。在MTJ磁电阻器件中，通过隧道势垒层120的隧道电流量为临近并与隧道势垒层120接触的被钉扎和自由铁磁层118，132的磁化相对取向的函数。来自被记录数据的磁场导致自由铁磁层132的磁化方向旋转远离方向133，即伸出或进入图2A中的纸面。这改变铁磁层118，132的磁矩相对取向，并从而改变隧道电流的数量，这被反映为MTJ 100的电阻变化。该电阻变化通过磁盘驱动器电子设备检测并被处理为从磁盘读回的数据。
在本发明中，被钉扎铁磁层118由一种近乎100％自旋极化的半金属哈斯勒合金形成，而中间层116为与哈斯勒合金材料和下方的反铁磁层112接触的铁磁层。反铁磁层112可以为任何反铁磁材料，例如PtMn、PdPtMn、RuMn、NiMn、IrMn、IrMnCr、FeMn、NiO、或CoO，而中间铁磁层116可以为选自由Co、Ni和Fe构成的组中的一种或更多材料的铁磁合金。
这种交换耦合结构10起因于最近报道的半金属铁磁性哈斯勒合金Co2Cr0.6Fe0.4Al在被直接沉积在PtMn反铁磁性材料层上时不会变成交换偏置的发现。因此，在本发明之前，不可能形成带有作为F层的半金属铁磁性哈斯勒合金的常规AF/F交换耦合。
哈斯勒合金的化学式为X2YZ，并具有一种立方L21晶体结构。立方L21晶体结构可以被描述为如下构造的四个互穿立方密堆结构：Z原子组成第一立方密封结构，Y原子占据八面体位置-由Z原子限定的立方棱的中心，而X原子占据四面体位置-由四个Y和四个Z原子限定的立方体的中心。图3表示哈斯勒合金结晶晶胞。
由能带结构计算已知的半金属铁磁性哈斯勒合金为PtMnSb和NiMnSb(均为所谓的半哈斯勒合金，因为一X亚点阵(sublattice)为空)，和Co2MnSi、Mn2VAl、Fe2VAl、Co2FeSi、Co2MnAl、和Co2MnGe。Co2CrAl也是一种半金属铁磁体，因为在费米能级下它的状态电子密度对称作通道1的自旋通道而言为有限的，而对称作通道2的另一自旋通道而言为零。对于Co2CrAl而言，X代表Co，Y代表Cr，而Z代表Al。通过对Co2CrAl掺入足够多的，有可能在自旋通道1获得van-Hove特性(van-Hove singularity)，以使费米能级在自旋通道1中被转移至态密度的峰值，而在自旋通道2中保持零态密度，因此合金保持半金属态。尽管不是必需的，由于在某些超大磁电阻材料中存在显示van-Hove特性的半金属铁磁体，该半金属铁磁体的使用可以成为一种优点，这些超大磁电阻材料显示大的磁电阻值和自旋极化隧道。
最近，哈斯勒合金Co2Fe0.6Cr0.4Al被假定为具有van-Hove特性的半金属铁磁体，并且对块材试样的试验显示高自旋极化的令人信服的证据。在Co2FexCr(1-x)Al中，在Y位置处存在Fe和Cr原子之间的替代无序，这意味着Fe或Cr原子在位置Y的可能性分别为x和1-x。在确定这种材料是否将在磁电阻器件中具有应用时，通过溅射沉积制造Co50Fe10Cr15Al25(其中下标代表大约原子百分比，并且因此该分子式相当于Co2Fe0.6Cr0.4Al)薄膜。在250℃下退火4小时之后，根据对块材试样的工作，这些试样在室温下显示如假定的接近800emu/cc的磁化强度和接近350℃的居里温度，并且磁性非常软(矫顽力Hc通常小于10Oe)，使得它们适于应用。但是，当Co50Fe10Cr15Al25薄膜被沉积在PtMn上时未观测到交换偏置。同样，未观测到沉积在FeMn上的NiMnSb的交换偏置(见J.A.Caballero等人在1998年J.vac.Sci.Technol.A16第1801-1805页的题为“Magnetoresistance of NiMnSb-based multilayer and spin-valves”的论文)。
本发明通过在反铁磁层与半金属铁磁性哈斯勒合金层之间插入中间铁磁层116，使得半金属铁磁性哈斯勒合金能够作为交换耦合结构中的被钉扎层。在一种实施方式中，在PtMn反铁磁层和Co2Fe0.6Cr0.4Al薄层之间形成Co90Fe10薄层。制造多个试样并与没有中间铁磁层的试样比较。试样的通常结构为：Ta(50)/PtMn(200)/CoFe(t)/Co50Fe10Cr15Al25(45)/Cu(5)/Ta(100)。Cu层被插入Co50Fe10Cr15Al25层和Ta盖层之间以防止Ta扩散进入Co50Fe10Cr15Al25层中。所有试样被在1特斯拉的外部磁场中于250℃下退火4小时。
图4显示多种试样的磁滞回线。回线A对应无中间铁磁层的结构，并显示无交换偏置。回线B对应具有6 Co90Fe10中间层的结构，而回线C对应具有12 Co90Fe10中间层的结构。
图5显示插入Co90Fe10层的中间层的效应，作为Ta(50)/PtMn(200)/CoFe(t)/CoFe10Cr15Al20(20)/Cu(5)/Ta(100)试样的中间铁磁层厚度的函数。H+和H-分别代表交换耦合结构的正和负磁反向场(需要施加的获得零磁化的磁场)。随着Co90Fe10层厚度的增加，等于(H++H-)/2的钉扎磁场起初增加，在大约9达到峰值，然后下降，而等于(H+-H-)/2的矫顽力连续地增加。
为了证明Co50Fe10Cr15Al25铁磁性地耦合至Co90Fe10层而不是为失效(dead)层，测量两不同Co90Fe10厚度的作为Co50Fe10Cr15Al25层厚度的函数的交换耦合结构的H+和H-(图6和7)。对两图而言，钉扎磁场随Co50Fe10Cr15Al25层厚度的增加而下降，如所期望的那样。
上述所示数据对应于具有Co2Fe0.6Cr0.4Al薄膜成分的交换耦合结构，因为大块材料的能带结构计算显示通过以Fe替代约40％的Cr原子可获得半金属铁磁性质，如在前面引用T.Block等人的文章中所报道的那样。但是，在薄膜中总是存在应变和缺陷，并可以显著改变材料的能带结构。因此优选一定范围的成分：Co2CrxFe1-x，其中0＜x＜1。期望此整个范围内的合成物为半金属铁磁体，但是具有约等于0.6的x的某种成分也在自旋通道1中显示van-Hove特性。
图2A-2B以MTJ磁电阻器件的MR读磁头实施方式显示交换耦合结构110。但是，交换耦合结构也完全适用于MTJ存储单元。在这种应用中，该结构将与图2A所示结构类似，不同的是层102、104将起到被连接至位和字线的的电导线的作用，将没有屏蔽S1、S2，并且不外加磁场的情况下被钉扎铁磁层118的磁矩119将被取向为平行或反向平行于自由铁磁层132的磁矩。除应用于MTJ型CPP磁电阻器件之外，交换耦合结构110也完全适用于CPP SV-GMR读磁头。在这种应用中，该结构将类似于图2A-2B所示的结构，不同的是非磁性间隔层(隧道势垒层120)将由导电材料形成，该导电材料通常为铜。
交换耦合结构也完全适用于CIP磁电阻器件，例如CIP SV-GMR读磁头。在这种应用中，该结构将类似于图2A-2B所示的结构，不同的是层102、104将起到绝缘材料的作用以将读磁头从屏蔽S1、S2电绝缘，非磁性间隔层120将由通常为铜的导电材料形成，电导线将位于图2A所示结构的侧部以在铁磁层118、132的平面内提供检测电流。
在交换耦合AF/F结构的所有的实施方式中，被钉扎F层可以为由铁磁性中间层和半金属哈斯勒合金层构成的基本双层结构(如上所述)或者反铁磁性被钉扎(AP)结构。在AP结构中，被钉扎F层包含由金属中间耦合薄膜反铁磁性耦合的两铁磁薄膜，该金属例如Ru、Ir、或Rh。最靠近AF层的铁磁薄膜被交换耦合至AF层，并包含上述中间铁磁层(靠近AF层)和半金属哈斯勒合金层(靠近金属耦合薄膜)的双层结构。IBM的第5,465,185号美国专利说明该AP交换耦合结构。
在所有上述实施方式中，交换耦合结构110位于磁电阻器件的底部。但是，众所周知交换耦合结构可以位于磁电阻器件的顶部。举例说来，参照图2A，自由铁磁层132可以位于层120之上，层120在自由层132上，被钉扎铁磁层118在层120上，中间铁磁层116在被钉扎铁磁层118上，而反铁磁层112在中间铁磁层116的上部。尽管已经参照优选实施方式具体说明本发明，本领域的技术人员将理解在不偏离本发明的精神和领域的前提下可以在形式和内容上做各种改变。因此，所公开的发明仅被视为示例性，并仅受限于如权利要求所限定的范围。