專利名稱：磁檢測器及其制造方法，鐵磁隧道結(jié)器件及其制造方法，以及使用它的磁頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁檢測器及其制造方法，特別涉及具有鐵磁隧道結(jié)的用作高密度磁記錄的讀頭的磁檢測器或用于檢測磁場的磁檢測器及其制造方法。
背景技術(shù)：
在一種層疊結(jié)構(gòu)的結(jié)中，其中金屬層、絕緣層和金屬層按照這個順序被層疊在一起(在本說明書中，這種層疊結(jié)構(gòu)被稱為“金屬/絕緣體/金屬”)，已知在絕緣層的厚度相當(dāng)小的情況下(具有幾百個微微米到幾千個微微米數(shù)量級)，當(dāng)在兩側(cè)的金屬層之間加上電壓時，則有小的電流通過。這種現(xiàn)象被稱為“隧道效應(yīng)”，并且可以利用量子力學(xué)來解釋。此外，所述電流被稱為隧道電流，并且這種結(jié)被稱為隧道結(jié)。
作為在這種隧道結(jié)中的絕緣層，通常使用氧化金屬膜。例如，通過使鋁的表面層自然氧化、等離子體氧化或者熱氧化而形成的氧化鋁膜被用作絕緣層。通過控制氧化條件，所述氧化鋁膜的厚度可以具有幾百微微米到幾千微微米的數(shù)量級，這是隧道效應(yīng)所需要的。
被形成為在隧道結(jié)的兩側(cè)具有鐵磁材料的金屬層的鐵磁金屬/絕緣體/鐵磁金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)被稱為鐵磁隧道結(jié)。在這種情況下，已知隧道電流的大小取決于兩個鐵磁金屬層的磁化條件。當(dāng)兩層的磁化方向被取為相同的方向時，則通過最大的隧道電流，當(dāng)兩層的磁化方向被取為相反的方向時，則通過小的隧道電流。這被解釋為，在鐵磁材料中，導(dǎo)電的電子被極化，并且這個現(xiàn)象是由在保持極化時電子的隧道效應(yīng)引起的。沿著一個方向的電子極化只能通過隧道效應(yīng)達(dá)到一個這樣的狀態(tài)，其中電子沿著所述的方向被極化；而沿著相反方向進(jìn)行的電子極化只能通過隧道效應(yīng)達(dá)到這樣的狀態(tài)，其中電子沿著相反的方向被極化。當(dāng)加有絕緣層的兩個金屬層的鐵磁物質(zhì)具有相同的極化方向時，可以在相同的狀態(tài)之間發(fā)生隧道效應(yīng)，因而具有大的隧道電流(隧道幾率高)。當(dāng)它們具有相反的磁化方向時，除非在沿一個方向被極化的狀態(tài)中的電子和沿相反方向被磁化的狀態(tài)中的電子在所述狀態(tài)下在它們要通過的層中分別找到空穴時，則不發(fā)生隧道效應(yīng)，因而一般地說，隧道電流小(隧道幾率低)。
因而，在鐵磁隧道結(jié)中，隧道幾率(隧道電阻)取決于在兩層中的磁層的磁化狀態(tài)，因此，隧道電阻可以通過施加外部磁場改變磁層的磁化狀態(tài)進(jìn)行控制。換句話說，通過隧道電阻的改變可以檢測外部磁場的改變。
隧道電阻R可以由下式表示R＝R0+(1/2)ΔR(1-cosθ)(1)其中θ是在兩個磁層之間磁化方向的相對角度，R0是當(dāng)相對角度θ是0°時，即兩個磁層的磁化方向平行時的隧道電阻，以及ΔR是在兩個磁層的磁化方向平行時的隧道電阻和兩個磁層的磁化方向反平行時的隧道電阻之間的差。
由式(1)可見，當(dāng)兩個磁層的磁化方向平行時，隧道電阻最小，而當(dāng)它們反平行時，隧道電阻最大。這是因為，鐵磁物質(zhì)中的電子是在旋轉(zhuǎn)中被磁化的。電子一般或者處于向上旋轉(zhuǎn)狀態(tài)或者處于向下旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。處于向上旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的電子被稱為上旋電子，處于向下旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中的電子被稱為下旋電子。
在非磁物質(zhì)中，上旋電子的數(shù)量和下旋電子的數(shù)量彼此相等。因此，非磁物質(zhì)在整體上不顯磁性。另一方面，在鐵磁物質(zhì)中，上旋電子的數(shù)量和下旋電子的數(shù)量互不相同。因而，鐵磁物質(zhì)在整體上具有向上磁化或向下磁化。
已知當(dāng)在隧道結(jié)中的電子穿過隧道時，在隧道中的各個電子保持其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果一個磁層具有相應(yīng)于隧道電子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的能級的空穴，則電子可以穿過所述磁層，如果沒有具有所述能級的空穴，則電子不能穿過磁層。
隧道電阻改變的比例，ΔR/R0，利用電子源的磁層的極化率和在電子要通過的磁層中的空穴能級的極化率的乘積，由下式表示ΔR/R0＝2P1P2/(1-P1P2) (2)其中P1表示電子源的電子的旋轉(zhuǎn)極化率，P2表示在電子要穿過的磁層中的空穴能級的旋轉(zhuǎn)極化率。此外P1和P2由下式表示P1，P2＝2(Nup-Ndown)/(Nup+Ndown) (3)其中Nup表示上旋的電子數(shù)或者上旋電子的級數(shù)，Ndown表示下旋的電子數(shù)，或者下旋電子的級數(shù)。
極化率P1，P2取決于鐵磁材料的類型，并且一些材料呈現(xiàn)接近50％的極化率。在這種情況下，可以預(yù)期獲得百分之幾十?dāng)?shù)量級的電阻的改變率，這大于由各向異性的磁致電阻效應(yīng)(AMR)或巨磁致電阻效應(yīng)(GMR)獲得的電阻的改變率。例如，理論上，預(yù)計當(dāng)鐵磁金屬例如Co，F(xiàn)e，Ni被用于磁層中時，可以獲得的電阻的改變率是20％到50％的數(shù)量級，這些值和實驗獲得的值接近。因而，由于和常規(guī)的各向異性磁致電阻效應(yīng)或巨磁致電阻效應(yīng)相比，在隧道效應(yīng)中的電阻的改變率較大，所以使用鐵磁隧道結(jié)的元件期望在下一代器件中用于磁檢測器。
在隧道結(jié)元件中，當(dāng)被夾在兩個磁層之間的隧道絕緣膜具有小的厚度時，易于產(chǎn)生缺陷，例如針孔。然而，如果隧道絕緣膜具有增加的厚度以便阻止產(chǎn)生針孔，又存在減小磁電阻的改變率的問題。
另一方面，當(dāng)鐵磁隧道結(jié)元件被用作磁檢測器時，一般地說，在通過一個恒定的電流(檢測電流)的同時施加一個磁場，并檢測電阻值的改變，且被轉(zhuǎn)換成電壓被輸出。已知鐵磁隧道效應(yīng)與施加的電壓有關(guān)，因而其電阻的改變率隨著施加的電壓而改變。在

圖1中，示出了在鐵磁隧道效應(yīng)中電阻的改變率對施加電壓的依賴性的典型的測量結(jié)果。由圖1顯然可見，雖然鐵磁隧道結(jié)元件在低電壓時具有較大的電阻改變率，但是，當(dāng)施加大約0.4V的電壓時，電阻的改變率大約被減少到一半。據(jù)認(rèn)為，在鐵磁隧道效應(yīng)中的電壓依賴性是由在鐵磁物質(zhì)和絕緣體之間的界面上出現(xiàn)的磁振子(磁矩的波動)引起的。
雖然獲得了較大的輸出，但是一般地說，當(dāng)較大的電壓施加于元件上時，實際上一種鐵磁隧道結(jié)元件提供一小的輸出，這是因為當(dāng)施加一大的電壓時其輸出具有對所施加的電壓的依賴性所致。為了解決這個問題，披露了一種方法，其中通過串聯(lián)連接多個隧道結(jié)，從而通過分散對各個元件施加的電壓來改善基極特性(JP-A-11-112054)。不過，按照所述方法，因為串聯(lián)幾個結(jié)，所以總的電阻值增加了。
作為一種鐵磁隧道結(jié)的特有的性質(zhì)，參見圖2的非線性電壓-電流(V-I)特性曲線，圖2示出了一種典型的鐵磁隧道結(jié)的V-I特性。與此相應(yīng)，電阻(隧道電阻)的值也隨電壓而發(fā)生較大的改變，并且圖3示出了電壓-電阻特性。由此可以理解，在鐵磁隧道結(jié)中，電阻值對電壓具有大的依賴性。因而，所述的電阻值對電壓的大的依賴性可能成為對電路設(shè)計的限制。
鑒于這些問題，本發(fā)明的目的在于提供一種磁檢測器和用于生產(chǎn)所述磁檢測器的方法，所述磁檢測器即使在隧道絕緣膜具有大的厚度時，其磁電阻的改變率也具有小的減少。
此外，本發(fā)明的另一個目的在于提供一種鐵磁隧道結(jié)元件以及使用所述元件的磁檢測器，所述鐵磁隧道結(jié)元件具有被減少的或者被限制的電阻值以及電阻的改變率對電壓的依賴性。
按照本發(fā)明的一個方面，提供一種磁檢測器，所述磁檢測器包括(1)一支撐基片，(2)一鐵磁隧道結(jié)元件，其具有在該支撐基片上的第一磁層，在所述第一磁層上的隧道絕緣層，所述隧道絕緣層包括氧化鋁，所述氧化鋁是由氧化在第一磁層上形成的鋁膜獲得的，所述鋁膜是使用99.999％或更高純度的鋁靶通過濺射形成的，以及在隧道絕緣層上的第二磁層，以及(3)一用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換為電阻的改變的轉(zhuǎn)換元件。
按照本發(fā)明的另一個方面，提供一種生產(chǎn)磁檢測器的方法，所述磁檢測器包括(1)一支撐基片，(2)一鐵磁隧道結(jié)元件，其具有在該支撐基片上的第一磁層，在所述第一磁層上的隧道絕緣層，以及在隧道絕緣層上的第二磁層，以及(3)一用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換為電阻的改變的轉(zhuǎn)換元件，其中鐵磁隧道結(jié)元件利用包括以下步驟的方法制造在一支撐基片上形成第一磁層；濺射具有99.999％或更高純度的鋁靶，從而在第一磁層上形成一鋁膜；對所述鋁膜進(jìn)行氧化，以使其轉(zhuǎn)換為包括氧化鋁的隧道絕緣層；并在該隧道絕緣層上形成第二磁層。
在氧化之前使用純度為99.999％或更高的鋁靶形成鋁膜，通過氧化所述鋁膜而獲得的隧道絕緣層可以具有相當(dāng)大的MR比，即使在形成的鋁膜具有大的厚度的情況下。因而，最初形成的具有大的厚度的鋁膜可以阻止在所述膜中產(chǎn)生缺陷例如針孔，因而可以增加由鋁膜的氧化而獲得的絕緣層的可靠性，從而增加包括所述絕緣層的隧道結(jié)元件的可靠性，此外，還能提高最終生產(chǎn)的磁檢測器的可靠性。
最好是，在鋁靶濺射之前的大氣壓力不大于2×10-4帕。
最好是，在第一磁層上的鋁膜被在氧的等離子體中氧化，以形成包括氧化鋁的隧道絕緣層。
按照本發(fā)明的另一個方面，提供一種鐵磁隧道結(jié)元件，其包括鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)，其中所述隧道結(jié)具有相對于所施加電壓的方向為不對稱的電壓-電阻特性。按照這種方式，通過提供鐵磁隧道結(jié)，其中電阻值和電阻改變的大小和電壓有關(guān)，使其具有修正的電阻值和電阻改變的大小和施加電壓的相關(guān)性，所述相關(guān)性在施加電壓的正側(cè)和負(fù)側(cè)之間是不同的，這樣，電阻改變的幅度以及隧道結(jié)元件的電阻值可以同時被減小。
最好是，具有上述特性的結(jié)可以被這樣生產(chǎn)，即在作為隧道結(jié)中的阻擋層的絕緣層中，使用一種具有相對于施加電壓的方向為不對稱的成分分布的材料，或者在和絕緣層接觸的各個層中使用不同的材料。
此外，鐵磁隧道結(jié)元件的電阻值和電壓的相關(guān)性，可以通過在所述元件中以這樣的方式串聯(lián)連接兩個或多個結(jié)，使得沿相反的方向?qū)τ陔妷旱脑黾佣l(fā)生電阻的改變，而使所述相關(guān)性被減少。
在這種隧道結(jié)元件中，通過提供相對于所施加電壓方向為不對稱的電壓-電阻特性(V-R特性)，使得由于施加電壓而引起的鐵磁隧道結(jié)元件的電阻的改變的大小(ΔR)被減小，同時，電阻值(R)也由于施加電壓而大大減小，因而可以使所述元件的電阻改變率(ΔR/R)的減少較小。在這樣一種元件的情況下，其中這種結(jié)被串聯(lián)連接，以使對于電壓的增加電阻的改變方向彼此相反，當(dāng)施加電壓時，各個結(jié)的電阻的改變相互抵銷，而且在整個元件中電阻的改變變小。
以這種方式，按照本發(fā)明，可以避免由于施加電壓而引起的鐵磁隧道結(jié)元件中隧道電阻值和電阻改變率的大的改變。
按照本發(fā)明，還提供一種生產(chǎn)鐵磁隧道結(jié)元件的方法，所述鐵磁隧道結(jié)元件包括一鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)，所述方法包括賦予所述隧道結(jié)以沿對其所施加電壓的方向為不對稱的電壓-電阻特性。
按照本發(fā)明的另一個方面，提供一種磁檢測器，包括(a)一支撐基片，(b)一鐵磁隧道結(jié)元件，其包括一鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)，所述隧道結(jié)具有沿所施加電壓的方向為不對稱的電壓-電阻特性，以及(c)一用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換為電阻的改變的轉(zhuǎn)換元件。
附圖簡述圖1是表示在鐵磁隧道結(jié)中電阻的改變率和施加電壓的相關(guān)性的典型的測量曲線；圖2表示鐵磁隧道結(jié)的典型的電壓-電流(V-I)特性的曲線；
圖3表示鐵磁隧道結(jié)的典型的電壓-電阻(V-R)特性的曲線；圖4是本發(fā)明第一實施例的磁檢測器的平面圖；圖5是由圖4的磁檢測器沿線V-V取的截面圖；圖6表示如圖4和圖5所示磁檢測器的電阻改變率與外部磁場的相關(guān)性；圖7表示形成隧道絕緣層的鋁膜的厚度和磁檢測器的MR比之間的關(guān)系的曲線；圖8表示在提供濺射形成鋁膜之前在濺射室中的最終的真空度和磁檢測器的MR比的關(guān)系的曲線；圖9A是按照本發(fā)明的使用磁檢測器的硬盤裝置的磁頭的平面圖；圖9B是圖9A的磁頭從圖中箭頭AR方向看并被放大的圖；圖10表示在本發(fā)明第二實施例的鐵磁隧道結(jié)元件熱處理之前的電壓-電阻(V-R)特性；圖11表示本發(fā)明第二實施例的鐵磁隧道結(jié)元件熱處理之后的電壓-電阻(V-R)特性；圖12是表示本發(fā)明第二實施例的鐵磁隧道結(jié)元件熱處理之后電壓對電阻的改變的特性曲線(V-ΔR)；圖13是表示本發(fā)明第二實施例的鐵磁隧道結(jié)元件熱處理之后電壓對電阻的改變率的特性曲線(V-MR)；圖14A和14B分別是在熱處理前后本發(fā)明第二實施例的鐵磁隧道結(jié)元件中的隧道絕緣層的示意圖；圖15是說明在隧道絕緣層中氧的分布的示意圖；圖16是說明用以賦予隧道絕緣層一種成分分布的處理之一的示意圖；圖17是說明用以賦予隧道絕緣層一種成分分布的另一種處理的示意圖；圖18說明在本發(fā)明中的鐵磁隧道結(jié)，其具有通過層疊具有不同成分的薄膜而形成的隧道絕緣層；
圖19A和19B為說明在本發(fā)明第二實施例的鐵磁隧道結(jié)元件的絕緣層中濃度分布的示意圖；圖20是說明用以賦予隧道絕緣層一種成分分布的另一種處理的示意圖；圖21是表示被串聯(lián)連接并用于形成本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件的兩個結(jié)的不對稱的電壓-電阻(V-R)特性的曲線；圖22是表示和常規(guī)的隧道結(jié)元件的V-R特性對照的通過串聯(lián)連接具有不對稱的電壓-電阻(V-R)特性的兩個結(jié)而形成的按照本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件的組合的電阻的電壓-電阻(V-R)特性的曲線。
圖23說明一種使用本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件的典型的磁頭，其包括具有不對稱的V-R特性并被串聯(lián)連接從而呈現(xiàn)互相相反的極性的兩個結(jié)；以及圖24說明使用本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件的另一種典型的磁頭。
在圖4中示出了本發(fā)明實施例的磁檢測器的平面圖。在這種磁檢測器中，下磁層10被形成在硅基片(沒有示出)上，從而沿著基片的縱向延伸；中間層20大體上被形成在下磁層10的中心，以蓋住下磁層，該層20包括隧道絕緣層；并且形成沿著基片的橫向延伸的上磁層30，以在形成中間層20的區(qū)域內(nèi)和下磁層10交叉。每一層例如使用具有相應(yīng)于所述層的形狀的開口的金屬掩模通過濺射方法被形成。在下層10和上層30之間，連接有電流源2和電壓指示器3。使用電流源2通過在下磁層10和上磁層30之間流過電流，并使用電壓指示器3測量它們之間的電壓，便可以確定隧道電阻。
圖5是沿圖4中線V-V所取的截面圖。在圖示的實施例中，被形成在硅基片1的表面上的下磁層10由NiFe層11和Co層12構(gòu)成。在本說明中，當(dāng)化合物的成分比沒有如上所述被規(guī)定時，則化合物不限于具有一種成分比。例如，在本實施例中的NiFe不意味著具有1∶1的成分比。
利用淀積處理，通過在磁場中淀積一種材料而形成NiFe層11和Co層12，所述磁場的方向和基片1的表面平行，并和下磁層10的延伸方向平行。NiFe層11和Co層12例如分別具有17.1毫微米和3.3毫微米的厚度。
在下磁層10上具有中間層20。在圖示的實施例中，中間層20包括AlO的隧道絕緣層22，其通過在基片1的表面上在Co層12上淀積厚度例如為1.3到3.5毫微米的鋁膜，并在氧等離子體中對其進(jìn)行氧化而被形成，并且，如果氧化進(jìn)行得不充分，則可能在AlO層22的下方留下Al層21。
最好是，通過濺射方法形成用于形成中間層20的鋁膜。在濺射中被用作靶子的材料是具有99.999％或更高純度的鋁。最好在進(jìn)行濺射之前把濺射室抽空到2×10-4Pa的壓力。最好使用氧的等離子體進(jìn)行淀積獲得的鋁膜的氧化，例如大約40秒鐘。
在中間層20上形成的上磁層30由3.3毫微米厚度的Co層31，17.1毫微米厚度的NiFe層32和45毫微米厚度的FeMn層33，以及10毫微米厚度的NiFe層34的層疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成。最好是，上磁層30的各層通過濺射形成。濺射在磁場中進(jìn)行，磁場的方向平行于基片1的表面，并和下磁層10的延伸方向垂直地相交。因而，上磁層30的各層沿著垂直于圖5中基片的表面的方向被磁化。
一般地說，Co的極化率大于NiFe的極化率。因此，由公式(2)表示的隧道電阻的改變率ΔR/R0可以通過在下磁層10的NiFe層11和中間層20之間以及上磁層30的NiFe層32和中間層20之間分別插入Co層12和Co層31而增加。
NiFe是鐵磁物質(zhì)，F(xiàn)eMn是反鐵磁物質(zhì)。因此，在上磁層30中，F(xiàn)eMn層33和NiFe層32彼此進(jìn)行磁交換作用，并且作為鐵磁物質(zhì)的NiFe層32的磁化方向是固定的，和外磁場的方向無關(guān)。同樣，上磁層30的Co層31的磁化方向也是固定的。在上磁層中的FeMn層33上的NiFe層34阻止FeMn層33的氧化。
和是固定的且與外磁場的方向無關(guān)的上磁層30中的NiFe層32以及Co層31的磁化方向相反，下磁層10的NiFe層11和Co層12的磁化方向在外磁場的作用下被改變。因而，對圖5所示的由下磁層10、中間層20和上磁層30構(gòu)成的結(jié)施加外部磁場，將引起在下磁層10的Co層12和上磁層的Co層31之間的相對的磁化角度的改變。這種在兩個層之間的磁化角度的改變將引起隧道電阻R的改變，如公式(1)所示。通過使用電壓指示器3測量隧道電阻R的改變，可以檢測外部磁場的改變。
圖6表示圖4和圖5所示的磁檢測器的隧道電阻的改變率和磁場的相關(guān)性，橫軸以O(shè)e(奧斯特)為單位表示外部磁場，縱軸以％表示隧道電阻的改變率。磁場強(qiáng)度的單位奧斯特相應(yīng)于1000/4π安培/米。外部磁場的正號表示外部磁場的方向和上磁層30的磁化方向相反。
當(dāng)磁場被加在垂直于圖5的基片表面的方向從而改變下磁層10的NiFe層11和Co層12的磁化方向，使得它們和上磁層30的Co層31的磁化方向平行或反平行時，當(dāng)二者平行時，隧道電阻具有最小值ρmin，當(dāng)二者反平行時，具有最大值ρmax。使用隧道電阻的最大值ρmax和最小值ρmin，由以下公式確定隧道結(jié)元件的MR比MR比(％)＝〔(ρmax-ρmin)/ρmin〕×100 (4)圖6出現(xiàn)了兩條曲線，因為當(dāng)磁場從-100Oe(-7960A/m)向+100Oe(+7960A/m)改變時和當(dāng)磁場從+100Oe(+7960A/m)向-100Oe(-7960A/m)改變時MR比以不同的方式改變。當(dāng)外部磁場不大于-10Oe(-796A/m)時，隧道電阻等于ρmin，磁電阻的改變率幾乎是0％，因為上磁層30的Co層31的磁化方向和下磁層10的Co層12的磁化方向相互平行。當(dāng)磁場被增加到-10Oe(-796A/m)或更多時，下磁層10的Co層12的磁化方向開始改變，并且磁電阻的改變率被增加。當(dāng)外部磁場達(dá)到+15Oe(+1190A/m)時，上磁層和下磁層的Co層31、12的磁化方向相互反平行，因而隧道電阻最大。此時磁電阻的改變率大約為20％。即MR比大約為20％。
當(dāng)外部磁場超過+60Oe(+4780A/m)時，上磁層30的Co層31的磁化方向和外部磁場的方向相同，使得上磁層和下磁層的Co層31、12的磁化方向相互平行。因此，隧道電阻幾乎具有最小值，并且磁電阻的改變率幾乎是0％。
在外部磁場逐漸從+100Oe(+7960A/m)被減小的情況下，當(dāng)外部磁場大約等于+35Oe(+2790A/m)或更小時，上磁層30的Co層31的磁化方向和FeMn層33的初始磁化方向相同，而且隧道電阻具有最大值。當(dāng)外部磁場大約達(dá)到-10Oe(-796A/m)時，上磁層和下磁層的Co層31、12的磁化方向相同，而且隧道電阻變成最小。
因而，本發(fā)明的磁檢測器可以以這種方式設(shè)計，使得兩個磁層(第一磁層和第二磁層)中的一個磁層的磁化方向借助于外部磁場而自由地改變，而另一個磁層中的磁化方向當(dāng)外部磁場小于某個值時是固定的，不受外部磁場的影響。
圖7表示按照上述制造的磁檢測器的MR比和鋁膜厚度的相關(guān)性。橫軸以毫微米表示在氧化之前鋁膜的厚度，縱軸以百分?jǐn)?shù)表示MR比。黑圈表示按照本發(fā)明在使用具有純度為99.999％(5N)的鋁靶淀積的鋁膜的情況下磁檢測器的MR比。為了對照，由圓圈表示使用純度為99.99％(4N)的鋁靶而形成的鋁膜的情況下的磁檢測器的MR比。在后一種情況下，在厚度為1.7毫微米或以上的鋁膜的區(qū)域內(nèi)，MR比被減少。與此相反，在按照本發(fā)明的情況下，即使在鋁膜的厚度為1.7毫微米或更多時，MR比仍然較高。此外，在按照本發(fā)明的磁檢測器的情況下，可以看出，MR比的分散性比對照例所示的情況較小。
因而，通過利用純度為99.999％或更高的鋁靶材料形成的鋁膜生產(chǎn)鐵磁隧道結(jié)的中間絕緣層(即隧道絕緣層)，即使在在鋁膜的厚度較大時，也能獲得相當(dāng)大的MR比。特別是在鋁膜具有1.7毫微米或更多的厚度時，尤其是在1.7到3.5毫微米的數(shù)量級時，預(yù)期可以獲得好的效果。在這種情況下，在鋁膜被氧化之后Al和AlO膜的總厚度大約為8毫微米。
圖8表示在進(jìn)行濺射以便形成鋁膜之前濺射室內(nèi)的最終真空度被改變時，MR比的改變曲線。在這種情況下，鋁膜的厚度為3.5毫微米?？梢钥闯?，當(dāng)最終真空度降低(壓力增加)時MR比減少。據(jù)認(rèn)為這是因為隧道絕緣膜的質(zhì)量在濺射室內(nèi)剩余的水的影響下便劣。為了獲得大的MR比，最好是最終壓力不大于2×10-4Pa。
因而，在形成用于制造鐵磁隧道結(jié)的隧道絕緣層的鋁膜時，通過使用99.999％或更高純度的鋁靶，并通過使用在膜形成之前不大于2×10-4Pa的大氣壓力，即使在隧道絕緣層具有大的厚度時，也可以獲得相當(dāng)高的MR比。借助于具有大的厚度的隧道絕緣層，可以避免產(chǎn)生例如針孔那樣的缺陷。
圖9A是使用按照本發(fā)明的磁檢測器的用于硬盤裝置的磁頭的頂視圖，圖9B是被放大的從圖中的箭頭AR的方向看的圖9A的磁頭的正視圖(該圖表示對著磁記錄介質(zhì)的磁盤的一面)。下面參照圖9A和圖9B說明磁頭的結(jié)構(gòu)和操作。
在圖中所示的磁頭中，包括NiFe，F(xiàn)eN或其類似物的下屏蔽層50被形成在支撐基片70上。支撐基片70通過在Al2O3-TiC基片上形成氧化鋁(Al2O3)而被形成。在下屏蔽層50上，形成有包括Al2O3的下間隙層51。在下間隙層51的部分區(qū)域上形成下磁層52。下磁層52具有0.8微米的寬度WL。在下磁層52的兩側(cè)上，分別形成有CoCrPt層53A和53B，以便和其邊沿表面接觸。CoCrPt層53A和53B和下磁層52呈電接觸。CoCrPt層53A和53B也被磁化，并提供具有一個磁疇的下磁層52，用于限制磁壁的突然變化，并消除操作中的不穩(wěn)定性。
在CoCrPt層53A和53B上，分別形成由Ta，Ti，Cu，W或其類似物構(gòu)成的電極54A和54B。電極54A和54B分別和CoCrPt層53A和53B呈電接觸。
如此形成中間層(隧道絕緣層)55，以便蓋住下磁層52和電極54A和54B。在相應(yīng)于中間層55的頂面的下磁層52的區(qū)域的一部分上，形成上磁層56，并在上磁層上也形成由Ta，Ti，Cu，W或其類似物構(gòu)成的上電極57。例如，上磁層56具有0.5微米的寬度WH。如此形成由氧化鋁構(gòu)成的上間隙層58，以便蓋住上電極57和隧道絕緣層55，并在其上進(jìn)一步形成由NiFe或其類似物構(gòu)成的上屏蔽層59。用這種方式，由下磁層52、中間層(隧道絕緣層)55和上磁層56構(gòu)成了一種鐵磁隧道結(jié)元件，并通過使所述鐵磁隧道結(jié)元件和用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換成電阻的改變的轉(zhuǎn)換元件相連，便構(gòu)成了按照本發(fā)明上述實施例的磁檢測器。此處用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換成電阻的改變的轉(zhuǎn)換元件包括前面參照圖4所述的電流源和電壓檢測器，雖然在圖9A和9B中沒有示出。
如圖9A所示，磁盤60對著圖9B所示的表面。如前所述，對著磁記錄介質(zhì)的磁頭的表面(即圖9B所示的表面)包括用于支撐磁檢測器的支撐基片，和具有第一磁層、隧道絕緣層和第二磁層的鐵磁隧道結(jié)元件，它們被相繼地形成在支撐基片上。磁盤60沿著垂直于圖9B中下磁層52的上表面或下表面(即在圖9B中的垂直方向)的方向運動，同時和圖9B所示的表面保持一定距離。根據(jù)磁盤60的磁化狀態(tài)，在下磁層52中產(chǎn)生的磁場的方向和大小被改變。當(dāng)在磁盤60上磁化的信息被讀出時，便在左側(cè)的下電極54A和上電極57之間通過一恒定電流，并在兩個電極之間檢測電壓。此外，可以在右側(cè)的下電極54B和上電極57之間通過一個恒定電流，并可以在左側(cè)的下電極54A和上電極57之間檢測電壓。反之亦然。
在上述的例子中，雖然說明了使用Co和FeNi作為鐵磁材料，使用FeMn作為反鐵磁材料的情況，但是，也可以使用其它的材料。此外，雖然本發(fā)明的磁檢測器被應(yīng)用于圖9A和圖9B所示的例子中的磁盤的磁頭中，但是按照這個例子的磁檢測器也可以應(yīng)用于其它的裝置中。例如，其可以用作旋轉(zhuǎn)編碼器的磁檢測器。
在磁檢測器中的每個層的形成不僅可以按照上述通過濺射方法形成，而且可以通過物理汽化淀積(PVD)方法形成，利用這種方法，一般地說，即使在相當(dāng)小的厚度下，也容易形成沒有缺陷例如針孔的膜。例如，可以使用蒸發(fā)技術(shù)。
下面說明按照本發(fā)明另一實施例的鐵磁隧道結(jié)元件，其隧道結(jié)具有沿所施加電壓的方向為對稱的電壓-電阻特性。本實施例的鐵磁隧道結(jié)元件包括一鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)。雖然可以使用任何鐵磁材料，只要其呈現(xiàn)鐵磁性質(zhì)即可，但是一般地說，使用金屬例如鎳、鐵或鈷或者這些金屬的合金。作為絕緣體，可以使用任何具有電絕緣性質(zhì)的非磁材料，例如絕緣材料氧化鋁。此外，本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件除去構(gòu)成隧道結(jié)的鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的疊層之外，還可包括另一個材料層。
在本發(fā)明的本實施例的鐵磁隧道結(jié)元件中，重要的是隧道結(jié)部分具有相對于所施加電壓的方向為非對稱的電壓-電阻特性。作為本實施例的鐵磁隧道結(jié)元件的第一個例子，下面說明包括Co/氧化鋁/Co的結(jié)結(jié)構(gòu)的鐵磁隧道結(jié)元件。
利用濺射方法在硅基片上相繼形成NiFe(50nm)/Co(3.3nm)/Al(1.3nm)薄膜，并通過氧的等離子體使Al的表面被氧化。此處的NiFe表示鎳和鐵的合金(坡莫合金)。每種薄膜材料后面括號中所列數(shù)字表示膜的厚度，在下面的說明中也用這種表示。此后，按照順序形成Co(3.3nm)/NiFe(20nm)/FeMn(45nm)/NiFe(20nm)膜，從而制成包括Co/氧化鋁/Co的隧道結(jié)的鐵磁隧道結(jié)元件。這種隧道結(jié)元件呈現(xiàn)的電阻(MR)改變率最大大約為16％。其具有如圖10所示的V-R特性，所示的特性接近對稱的，并且和常規(guī)的元件一樣，其中心在0V的施加電壓上。
當(dāng)結(jié)元件在250℃下經(jīng)過1小時的熱處理時，電阻的改變率被保持在16％。不過，結(jié)元件在被熱處理之后，具有相對于0V的施加電壓線非常不對稱的V-R特性，如圖11所示。這個偏移量大約為300到400mV。
因而，在被熱處理之后，隧道結(jié)元件具有相對于0V施加電壓附近的施加電壓單調(diào)減少的電阻值的特性，因為最大電阻值的點在V-R曲線中發(fā)生了偏移。所述特性取決于作為阻擋層的絕緣層以及在絕緣層和鐵磁材料層之間的界面的狀態(tài)。
另一方面，在被熱處理之后的隧道結(jié)元件的V-ΔR曲線如圖12所示。所示的曲線和常規(guī)元件的曲線相同，其幾乎是對稱的，以0V的施加電壓線為中心。因而所述元件在0V施加電壓附近具有最大的電阻改變。據(jù)認(rèn)為，這是因為電阻改變的減小是由于在和阻擋層的性能不同的界面上磁振子的激勵引起的。
隧道結(jié)元件在被熱處理之后的V-MR特性如圖13所示(該圖的橫軸表示施加電壓的絕對值)?？梢钥闯?，因為圖11的V-R特性的不對稱，在正負(fù)電壓側(cè)電阻改變率相對于施加電壓的減少方式互不相同，在正電壓側(cè)，電阻改變率的減小受到限制，即，V-MR特性發(fā)生偏移。
據(jù)認(rèn)為在本例中V-MR特性偏移的機(jī)理如下。
據(jù)認(rèn)為，在形成鋁膜之后，立即對其表面上的鋁進(jìn)行氧化，以便形成作為絕緣體的氧化鋁，因此絕緣層的上部分被轉(zhuǎn)換成氧化物，而膜的下部的氧化程度較小，因此，鋁仍然保持原樣。當(dāng)在這種狀態(tài)下圖14A示意地表示的并在圖中被表示為Al-AlO的絕緣層被熱處理時，絕緣層的表面難于受到熱處理的影響，因為其上形成有穩(wěn)定的氧化鋁。不過，在絕緣層的下部分，據(jù)認(rèn)為，剩余的鋁的一部分和在Co層(1)下方的Co的一部分由于熱處理而被擴(kuò)散形成固溶體，并且這導(dǎo)致在兩層之間的邊界區(qū)域形成Co-Al層，其中二者以組合物的形態(tài)存在，如圖14B示意地表示的那樣。因而，據(jù)認(rèn)為，在作為隧道阻擋層的氧化鋁絕緣層的每一側(cè)上存在具有其成分互不相同的層〔Co-Al層和Co層(2)〕，因而提供不對稱的V-R特性。
在圖14A和B中，橫軸z代表隧道結(jié)厚度的方向，并同時表示在隧道結(jié)元件中施加電壓的方向。其中，在基于氧化鋁的絕緣層的左側(cè)上的Co層(1)表示初始形成的鐵磁材料層，在右側(cè)的Co層(2)表示在鋁膜被氧化之后形成的鐵磁材料層。
用這種方式，通過選擇作為絕緣體材料的一種材料，其和與其接觸的鐵磁材料層中使用的材料一起形成固溶體，可以在絕緣材料層和一個鐵磁材料層之間的界面的鄰域內(nèi)形成兩種材料的固溶體，因而，在和絕緣層接觸的每一側(cè)上的層的材料可以互不相同。這種固溶體可以只在一個和絕緣層接觸的磁層中被形成，如上所述，例如通過由非磁金屬形成絕緣材料層，所述非磁金屬和作為鐵磁材料的Co，F(xiàn)e，Ni以及這些金屬的合金一起形成固溶體，接著，通過自然氧化或等離子體氧化對其表面的鄰域進(jìn)行氧化，從而產(chǎn)生氧化不足的下部，然后進(jìn)行熱處理。
作為另一個例子，當(dāng)絕緣體材料是氧化物例如氧化鋁時，借助于控制在絕緣阻擋層中的氧的濃度的分布，也可以獲得類似的效果。如圖15所示，通過形成阻擋層，使得其氧的濃度從形成的鋁層的表面向內(nèi)部而減少，可以獲得具有不對稱的V-R特性的隧道結(jié)元件。雖然氧的濃度的這種分布只借助于在形成鋁膜之后從表面進(jìn)行氧化而在某個程度上被產(chǎn)生，但是可以通過控制氧化或進(jìn)行熱處理的條件可以使得在一個較大的程度上產(chǎn)生濃度分布。氧化條件的控制例如可以通過控制等離子體氧化的條件(等離子體裝置的功率、氣體的數(shù)量、處理時間等)來實現(xiàn)。在圖15中，縱坐標(biāo)表示氧的濃度，橫坐標(biāo)z表示隧道結(jié)厚度的方向，也表示在圖14所示的元件中施加的電壓的方向。
下面說明一個例子，其中在絕緣層形成期間不通過熱處理便能在厚度方向產(chǎn)生成分的分布。
例如，如圖16所示，可以通過沿著向右的箭頭指示的移動方向移動基片113的位置，與此同時，同時濺射兩個或幾個靶111、112而在基片113上形成的絕緣層的厚度方向產(chǎn)生成分分布。此外，如圖17所示，通過隨時間改變被輸入到兩個或多個靶111’、112’的電功率的比例，如下部的曲線所示，借以控制從各個靶到達(dá)其上形成有絕緣層的基片113’的元素的頻率，可以在形成的絕緣層中沿其厚度方向產(chǎn)生成分分布。除去上述的濺射方法之外，也可以例如通過蒸發(fā)或者分子束外延方法沿厚度方向形成具有成分分布的絕緣層。
在另一個例子中，通過層疊具有不同成分或結(jié)構(gòu)的多個膜可以形成絕緣層。例如，如圖18所示，通過在鐵磁材料層121和122之間層疊成分不同的3個膜123，124和125，可以形成絕緣層126。在該圖中，鐵磁材料層121/絕緣層126/鐵磁材料層122的疊層構(gòu)成本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)。
這樣通過層疊成分不同的膜123，124，125而形成的絕緣層126沿著表示在絕緣層(隧道阻擋層)中施加電壓的方向的z軸關(guān)于某種成分(例如在氧化鋁絕緣層中的氧)沒有連續(xù)的成分分布，如圖19A所示。不過，因為濃度分布是不對稱的，在隧道結(jié)元件中的V-R特性也是不對稱的，可以得到減少元件的電阻值對電壓的依賴性的效果。通過對由層疊圖18中的3個膜而形成的絕緣層126進(jìn)行熱處理，可以改變圖19A所示的層疊的絕緣層26中的某個成分的臺階狀的濃度分布曲線，使其接近一個連續(xù)的曲線，如圖19B所示。
下面再說明一個在絕緣層中沿其厚度方向形成成分分布的例子。在這個例子中，金屬模例如鋁膜例如在形成氧化物絕緣層期間在含有氧的氣氛中被形成。如圖20所示，當(dāng)絕緣層(未示出)在室131內(nèi)使用鋁靶132通過濺射方法而被形成在基片133上時，通過在用于形成膜的室131內(nèi)送入氧氣可以調(diào)節(jié)絕緣層內(nèi)的氧的濃度，同時對鋁進(jìn)行氧化，并通過流量控制裝置134隨時間控制被送入的氧的數(shù)量，如圖下方的曲線所示，從而得到具有不對稱的V-R特性的元件。
如上所述，在本發(fā)明中，可以通過多種方法制造具有不對稱的V-R特性的鐵磁隧道結(jié)元件。本發(fā)明的本實施例的鐵磁隧道結(jié)元件具有一種結(jié)結(jié)構(gòu)，其中絕緣層128位于鐵磁材料層121和122之間，如示意圖18所示。雖然圖18中的絕緣層126由層疊不同成分的絕緣膜123，124，125制成，由上述可見，當(dāng)然，在本發(fā)明中的絕緣層126可以由一種材料形成膜，并沿施加電壓的方向改變其成分來制成。
此外，除去構(gòu)成隧道結(jié)的鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)之外，本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件也可以包括一層或幾層其它的一種材料或幾種材料，如前所述。
具有相對于所施加電壓方向不對稱的V-R特性的并具有減少的電阻值和電阻改變率對電壓的依賴性的本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件，最好被用于磁檢測器中，所述磁檢測器包括一支撐基片，一鐵磁隧道結(jié)元件，以及一用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換為電阻的改變的元件，如前所述的本發(fā)明實施例的鐵磁隧道結(jié)元件。因而，本實施例的磁檢測器包括(a)一支撐基片，(b)一鐵磁隧道結(jié)元件，其包括一被在該支撐基片上形成的鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)，所述隧道結(jié)具有沿所施加電壓的方向為不對稱的電壓-電阻特性，以及(c)一用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換為電阻的改變的轉(zhuǎn)換元件。
本發(fā)明的這種磁檢測器可被廣泛地用作檢測磁場用的磁檢測器，或用于讀高密度磁記錄之類的磁頭中。
按照本發(fā)明，提供一種包括兩或多個具有相對于所施加電壓方向不對稱的V-R特性的由鐵磁材料/絕緣體/磁材料構(gòu)成的隧道結(jié)的實施例也是可能的，并且，通過利用這種結(jié)構(gòu)減少電阻值和電阻改變率對于電壓的相關(guān)性，也可以實現(xiàn)一種具有較小的電阻改變的鐵磁隧道結(jié)元件。
作為包括這種多個隧道結(jié)的元件的例子，可以參閱具有磁層(1)/絕緣層(1)/磁層(2)/絕緣層(2)/磁層(3)的層疊結(jié)構(gòu)的元件。在這種情況下，一個隧道結(jié)由磁層(1)/絕緣層(1)/磁層(2)構(gòu)成，另一個隧道結(jié)由磁層(2)/絕緣層(2)/磁層(3)構(gòu)成。這兩個隧道結(jié)以這樣的方式組合，使得其電阻對電壓的相關(guān)性是相互對稱的，借以使得可以減少整個元件的電阻值和電阻改變率對電壓的相關(guān)性。在這種結(jié)構(gòu)的元件中，兩個外磁層(1)和(3)的磁化方向是固定的。
此外，在上述包括兩個隧道結(jié)的元件中，磁層(2)的磁化方向可以受到由磁層(1)和(3)的端部產(chǎn)生的磁場的影響；為避免這個問題，每個磁層(1)和(3)可以具有鐵磁層(a)/非磁層(b)/鐵磁層(c)的三層結(jié)構(gòu)。在這種情況下，鐵磁層(a)和(c)通過非磁層(b)被反鐵磁地耦連。
接著，具體說明一種包括這種多個隧道結(jié)的實施例。在所述的實施例中，具有如圖21所示的電阻值最大的一點向正電壓側(cè)移動的V-R曲線的隧道結(jié)1和具有電阻值最大的一點向負(fù)電壓側(cè)移動的曲線的隧道結(jié)2串聯(lián)連接而形成一個元件。
這種結(jié)構(gòu)的一種鐵磁隧道結(jié)元件的組合的V-R特性如圖22所示，以便和常規(guī)的隧道結(jié)元件的V-R特性比較，其中電阻值為最大的一點對于0V的施加電壓沒有偏移。在該圖中，由虛線表示的曲線A表示常規(guī)的隧道結(jié)元件的未偏移的V-R特性，如前面的圖3所示，由實線表示的曲線B是通過使兩個結(jié)1和2串聯(lián)連接而成的本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件的組合的V-R特性。在本發(fā)明的隧道結(jié)元件中，對所施加電壓結(jié)1的電阻R被增加和減少的方向的效果，和對所施加電壓結(jié)2的電阻也被增加和減少的方向的效果相互抵銷了，因而和常規(guī)的隧道結(jié)元件相比，電阻對于電壓的依賴性在一個寬的電壓范圍內(nèi)被限制為一個小的值。
此外，在具有兩個串聯(lián)連接使得呈現(xiàn)相反極性的兩個結(jié)的本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件中，因為串聯(lián)連接而使電壓被分配給各個結(jié)，因而電阻改變率對于電壓的相關(guān)性被改善了，其是在對它們進(jìn)行串聯(lián)組合之前兩個元件的1/2。類似地，在兩個結(jié)被并聯(lián)連接的情況下，組合的電阻的改變也被限制，因為兩種類型的結(jié)具有沿相反方向改變的電阻。
在圖23中，示意地示出了用于讀磁記錄的磁頭，所述的磁頭使用包括具有不對稱的V-R特性的并被串聯(lián)連接使得呈現(xiàn)相反極性的兩個結(jié)的本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件150。圖中所示的一面是對著磁記錄介質(zhì)的所述磁頭的一面。一般地說，在這種讀磁頭中，用于檢測磁場的元件150被插在上屏蔽141和下屏蔽142之間的讀間隙143中。在圖中所示的例子中，所述元件150是本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件，元件150具有反鐵磁層151/磁層152/絕緣層153/磁層154/絕緣層155/磁層156/反鐵磁層157的層疊結(jié)構(gòu)。這種層疊結(jié)構(gòu)也可以包括一支撐基片(未示出)，用于相繼地形成層151到157。在磁層152，154，156中示出的箭頭表示在各層中磁化的方向，并且在磁層152和156中磁化的方向是固定的。
雖然磁層152和156可以是任何種類的材料，只要所述材料是基于Fe，Co，Ni，或這些金屬的合金的鐵磁材料即可，不過最好使用具有高的極化率的金屬材料，因為它們提供大的電阻改變率。作為具有高的極化率的這種金屬的例子，可以提及Co-Fe合金。對于反鐵磁層151，157，使用在磁層152，156的金屬材料中包括單向各向異性的材料，例如FeMn，IrMn，PdPtMn，NiO和RhMn。中間磁層154由具有在外磁場中容易改變磁化方向的性能的軟磁材料制成。作為這種材料的一個例子，可以提及的有NiFe合金。磁層152，154，156并不總是需要用一層膜制成，磁層152和156可以是由成分不同的兩層或多層鐵磁金屬的多層膜構(gòu)成，磁層154可以是包括軟磁材料層的多層膜。例如，磁層152和156還提供好的元件性能，其中分別使用例如NiFe，其容易在和反鐵磁層151和157接觸的一側(cè)引起單向各向異性，并在和絕緣層153和155接觸的一側(cè)使用具有大的極化率的材料，例如CoFe。磁層154還提供其它的好的元件性能，其中在中部使用軟磁材料例如NiFe合金，并在兩側(cè)使用具有大的極化率的鐵磁材料，例如CoFe合金。因而，在本例中用于磁頭中的元件150可以由其中絕緣層153和155分別被鐵磁層夾在中間的結(jié)構(gòu)的結(jié)制成，或者可以由具有這樣結(jié)構(gòu)的結(jié)制成，其中鐵磁層被用作包括絕緣層153和155的層疊結(jié)構(gòu)的外磁層152和156，并使用軟磁層作為中間磁層154。
絕緣層153和155被以這樣的方式形成，使得在其V-R曲線中的電阻值最大的一點朝向相反電壓側(cè)偏移。即，由磁層152/絕緣層153/磁層154構(gòu)成所第一隧道結(jié)和由磁層154/絕緣層155/磁層156構(gòu)成的第二隧道結(jié)被這樣構(gòu)成，使得具有相互不對稱的電阻對電壓的相關(guān)性。
在磁頭中使用的元件具有圖23所示的結(jié)構(gòu)的情況下，特別是當(dāng)讀間隙具有減少的寬度時，中間磁層154的磁化方向受磁層152和156外端部產(chǎn)生的磁場的影響，因而，不能獲得對于磁場的足夠的靈敏度。在這種情況下，對于磁場的靈敏度的不足可以利用相應(yīng)于具有鐵磁層/非磁層/鐵磁層的三層結(jié)構(gòu)的圖23所示的隧道結(jié)元件150的磁層152和156的部分進(jìn)行補(bǔ)償。
使用其中相應(yīng)于圖23中的外部磁層152和156的部分具有這種三層結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)元件的磁頭被示意地示于圖24。在這個例子中，和圖23所示的磁頭中使用的相同的元件使用和圖23相同的標(biāo)號。如圖24所示，在本實施例的磁頭中使用鐵磁隧道結(jié)元件160，所述元件和圖23所示的類似，只是相應(yīng)于圖23中的元件150的磁層152的部分162具有鐵磁層162a/非磁層162b/鐵磁層162c的三層結(jié)構(gòu)，類似地，相應(yīng)于磁層156的部分166具有鐵磁層166a/非磁層166b/鐵磁層166c的三層結(jié)構(gòu)。已知在這種鐵磁層/非磁層/鐵磁層的三層結(jié)構(gòu)中，通過使用具有1nm數(shù)量級的厚度的中間非磁層162b，166b，在層162b的兩側(cè)上的鐵磁層162a，162c的磁化是反鐵磁耦連的，并且在層166b的兩側(cè)上的鐵磁層166a，166c的磁化是反磁耦連的。也就是說，在磁層162a(或166a)和磁層162c(166c)中的磁化的方向和圖24中箭頭指示的方向相反。用這種方式，磁場在磁層162a，162c之間，或者在磁層166a，166c之間是閉合的，因而，可以消除對磁層154中的磁化方向的影響。
在這種情況下，過渡金屬元素例如Cu和Ru可被用于隧道結(jié)元件160的非磁層162b，166b。另一方面，在元件160中除去非磁層162b，166b之外的各層中，可以使用對于圖23所示的磁頭所述的材料類似的材料。
在用于圖23和24所示的磁頭中的鐵磁隧道結(jié)元件150和160中，可以發(fā)生諧振隧道效應(yīng)(量子諧振隧道效應(yīng))。在發(fā)生諧振隧道效應(yīng)時，隧道電子的波函數(shù)在中間磁層154的內(nèi)部形成駐波，并因而改變隧道幾率。借助于此，通過設(shè)計中間磁層154使得其具有借助于諧振隧道效應(yīng)使隧道幾率增加的厚度可以減少隧道電阻。
如上所述，本發(fā)明的磁頭包括本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件，本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件包括一鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)，所述的隧道結(jié)具有對于所施加電壓的方向不對稱的電壓-電阻特性，其中鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)的各層被設(shè)置在朝向磁記錄介質(zhì)的磁頭的表面中。
本發(fā)明的鐵磁隧道結(jié)元件不僅適用于這種磁頭，而且也適用于其它裝置。例如，其也適用于前述的旋轉(zhuǎn)編碼器中的磁檢測器。此外，其還適用于這樣的裝置，其中在鐵磁隧道結(jié)元件的隧道結(jié)中的兩個層的磁化狀態(tài)相應(yīng)于記錄的狀態(tài)(on/off)，并且借助于隧道電阻的大小進(jìn)行讀操作。因此，本發(fā)明不限于本說明所述的特定實施例和具體的例子，而可以作出各種改變和改型。
如上所述，按照本發(fā)明，當(dāng)形成用于形成鐵磁隧道結(jié)的隧道絕緣層的鋁膜時，通過使用具有99.999％的特別高純度的鋁靶材料，使得即使在隧道絕緣層具有較大的厚度時也能保持元件具有相當(dāng)高的MR比。借助于具有較大厚度的隧道絕緣層，可以避免在隧道絕緣層被形成之前在其中產(chǎn)生例如針孔的缺陷，從而改善鐵磁隧道結(jié)元件的可靠性，并提高鐵磁隧道結(jié)元件的生產(chǎn)率。
此外，按照本發(fā)明，通過使用具有被減少的電阻值和電阻改變率對電壓的依賴性的鐵磁隧道結(jié)元件，可以制造使用這種元件的磁檢測器。
由上述可見，作為例子，本發(fā)明的特征例舉如下1.一種磁檢測器，它包括(1)一支撐基片，(2)一鐵磁隧道結(jié)元件，其具有在該支撐基片上的第一磁層，在所述第一磁層上的隧道絕緣層，所述隧道絕緣層包括氧化鋁，所述氧化鋁是由氧化在第一磁層上形成的鋁膜獲得的，所述鋁膜是使用99.999％或更高純度的鋁靶通過濺射形成的，以及在隧道絕緣層上的第二磁層，以及(3)一用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換為電阻的改變的轉(zhuǎn)換元件。
2.如前項1所述的磁檢測器，其中第一磁層由NiFe層和Co層構(gòu)成的兩層膜構(gòu)成，并且Co層和該隧道絕緣層接觸。
3.如前項1，2所述的磁檢測器，其中第二磁層由多層膜構(gòu)成，其中Co層，NiFe層，F(xiàn)eMn層和NiFe層被相繼地形成，并且Co層和該隧道絕緣層接觸。
4.如前項1到3中任何一個所述的磁檢測器，其中在第一和第二磁層的一個磁層中磁化的方向借助于外部磁場被自由地改變，并且在另一個磁層中的磁化方向當(dāng)該外部磁場小于某個值時不受外部磁場的影響而固定不變。
5.一種用于生產(chǎn)磁檢測器的方法，所述磁檢測器包括(1)一支撐基片，(2)一鐵磁隧道結(jié)元件，其具有在該支撐基片上的第一磁層，在所述第一磁層上的隧道絕緣層，以及在隧道絕緣層上的第二磁層，以及(3)一用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換為電阻的改變的轉(zhuǎn)換元件，其中鐵磁隧道結(jié)元件利用包括以下步驟的方法制造在支撐基片上形成第一磁層；濺射具有99.999％或更高純度的鋁靶，從而在第一磁層上形成一鋁膜；對所述鋁膜進(jìn)行氧化，以使其轉(zhuǎn)換為包括氧化鋁的隧道絕緣層；并在該隧道絕緣層上形成第二磁層。
6.如前項5所述的方法，其中在鋁靶濺射之前的大氣壓力不大于2×10-4帕。
7.如前項5或6所述的方法，其中在第一磁層上形成的鋁膜的厚度為1.7-3.5nm。
8.如前項5-7中任何一個所述的方法，其中在第一磁層上的鋁膜被在氧的等離子體中氧化，從而被轉(zhuǎn)換成包括氧化鋁的隧道絕緣層。
9.一種磁頭，包括前項1到4中任何一個所述的磁檢測器。
10.如前項9所述的磁頭，其中所述磁頭朝向磁記錄介質(zhì)的一面包括該支撐基片和具有被相繼形成在所述支撐基片上的第一磁層，隧道絕緣層和第二磁層的鐵磁隧道結(jié)元件。
11.一種鐵磁隧道結(jié)元件，其包括鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)，并且所述隧道結(jié)具有相對于所施加電壓的方向為不對稱的電壓-電阻特性。
12.如前項11所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其中在所述絕緣體層中使用這樣一種材料，所述材料具有相對于對元件施加的電壓的方向為不對稱的成分分布。
13.如前項12所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其中該絕緣體是一種氧化物，并且所述氧化物中氧的濃度相對于對元件所施加電壓的方向是不對稱的。
14.如前項11所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其中用于和絕緣體層接觸的兩層的材料互不相同。
15.如前項14所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其中在絕緣體層和與絕緣體層接觸的一層鐵磁材料之間的邊界中存在絕緣體和鐵磁材料的成分的固溶體，使得和絕緣體層接觸的兩層的材料互不相同。
16.如前項11到15中任何一個所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其包括多個隧道結(jié)，并通過按這樣一種方式串聯(lián)連接這些隧道結(jié)而被構(gòu)成，以使它們相對于電壓的增加而產(chǎn)生的電阻的改變的方向相反。
17.如前項11到15中任何一個所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其包括多個隧道結(jié)，并通過按這樣一種方式并聯(lián)連接這些隧道結(jié)而被構(gòu)成，以使它們相對于電壓的增加而產(chǎn)生的電阻的改變的方向相反。
18.如前項16所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其具有磁層(1)/絕緣層(1)/磁層(2)/絕緣層(2)/磁層(3)的層疊結(jié)構(gòu)，并且其中磁層(1)/絕緣層(1)/磁層(2)形成一個隧道結(jié)，磁層(2)/絕緣層(2)/磁層(3)形成另一個隧道結(jié)，這兩個隧道結(jié)以這樣的方式被組合，使得它們的電阻與電壓之間相關(guān)性相互對稱，借以使整個隧道結(jié)元件的電阻值和電阻改變率與電壓的相關(guān)性能夠被減小，并且其中外部磁層(1)和(3)的磁化方向是固定的。
19.如前項18所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其中每個磁層(1)和(3)具有鐵磁層(a)/非磁層(b)/鐵磁層(c)的三層結(jié)構(gòu)，并且鐵磁層(a)和(c)是通過非磁層(b)反鐵磁耦連的。
20.如前項18或19所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其中磁層(2)具有一個這樣的厚度，在此厚度下發(fā)生量子諧振隧道效應(yīng)。
21.一種磁檢測器，包括(a)一支撐基片，(b)一鐵磁隧道結(jié)元件，其包括一被形成在所述支撐基片上的鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)，所述隧道結(jié)具有沿所施加電壓的方向為不對稱的電壓-電阻特性，以及(c)用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換為電阻的改變的轉(zhuǎn)換元件。
22.如前項21所述的磁檢測器，其中在絕緣體層中使用具有相對于對元件所施加電壓的方向為不對稱的成分分布的材料。
23.如前項22所述的磁檢測器，其中該絕緣體是氧化物，并且該氧化物中氧的濃度相對于對元件所施加電壓的方向是不對稱的。
24.如前項21所述的磁檢測器，其中和絕緣體層接觸的兩層的材料互不相同。
25.如前項24所述的磁檢測器，其中和絕緣體層接觸的兩層的材料互不相同，因為其中在絕緣體層和與絕緣體層接觸的一層鐵磁材料之間的邊界中存在絕緣體和鐵磁材料的成分的固溶體。
26.如前項21到25中任何一個所述的磁檢測器，其中該鐵磁隧道結(jié)元件包括多個隧道結(jié)，并且這些隧道結(jié)按這樣一種方式串聯(lián)連接，使得它們對于電壓的增加而產(chǎn)生的電阻改變的方向相反。
27.如前項21到25中任何一個所述的磁檢測器，其中該鐵磁隧道結(jié)元件包括多個隧道結(jié)，并且這些隧道結(jié)按這樣一種方式并聯(lián)連接，使得它們相對于電壓的增加而產(chǎn)生的電阻的改變的方向相反。
28.如前項26所述的磁檢測器，其中所述鐵磁隧道結(jié)元件具有磁層(1)/絕緣層(1)/磁層(2)/絕緣層(2)/磁層(3)的層疊結(jié)構(gòu)，并且其中磁層(1)/絕緣層(1)/磁層(2)形成一個隧道結(jié)，磁層(2)/絕緣層(2)/磁層(3)形成另一個隧道結(jié)，這兩個隧道結(jié)以這樣的方式被組合，使得它們的電阻與電壓之間相關(guān)性相互對稱，借以使整個隧道結(jié)元件的電阻值和電阻的改變率與電壓的相關(guān)性能夠被減小，并且其中外部磁層(1)和(3)的磁化方向是固定的。
29.如前項28所述的磁檢測器，其中每個磁層(1)和(3)具有鐵磁層(a)/非磁層(b)/鐵磁層(c)的三層結(jié)構(gòu)，并且鐵磁層(a)和(c)是通過非磁層(b)反鐵磁耦連的。
30.如前項28或29所述的磁檢測器，其中磁層(2)具有一個這樣的厚度，在此厚度下發(fā)生量子諧振隧道效應(yīng)。
31.一種磁頭，其包括前項21到30中任何一個所述的磁檢測器。
32.如前項31所述的磁頭，其中鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)的各層被設(shè)置在所述磁頭朝向磁記錄介質(zhì)的一面中。
33.一種用于生產(chǎn)鐵磁隧道結(jié)元件的方法，所述鐵磁隧道結(jié)元件包括一鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)，所述方法包括賦予所述隧道結(jié)以沿對其所施加電壓的方向為不對稱的電壓-電阻特性。
34.如前項33所述的方法，其中賦予隧道結(jié)以不對稱的電壓-電阻特性通過包括以下步驟的處理進(jìn)行(1)在一層第一鐵磁材料的表面上通過淀積而形成一非磁材料的薄膜，所述非磁材料是一種用作絕緣體的材料，并且能夠和第一鐵磁材料一起形成固溶體，(2)使氧從非磁材料的表面和其進(jìn)行反應(yīng)，從而在所述表面?zhèn)鹊囊粋€區(qū)域?qū)Ρ∧みM(jìn)行氧化，以便將其轉(zhuǎn)換為絕緣體，(3)在所述非磁材料薄膜的被氧化的表面上淀積并形成一第二鐵磁材料層，以及(4)在通過熱處理在步驟(2)中被轉(zhuǎn)換為絕緣體的區(qū)域的下方形成一第一鐵磁材料和非磁材料的固溶體。
35.如前項33所述的方法，其中絕緣體是一種氧化物，并且其中絕緣體層被在氧氣氛中形成，并且在形成所述絕緣體層期間，在該氣氛中的氧的局部壓力隨時間而改變。
36.如前項33所述的方法，其中利用以下步驟形成一個隧道結(jié)使用這樣一種材料作為絕緣體，所述材料具有相對于元件所施加電壓的方向為不對稱的成分分布，或者利用以下步驟形成一隧道結(jié)使用不同的材料作為絕緣體而形成隧道結(jié)，所述不同材料處于和所述隧道結(jié)的兩側(cè)上的絕緣體層接觸的層中，并對所述結(jié)進(jìn)行熱處理。
37.如前項33所述的方法，其中形成一隧道結(jié)，所述隧道結(jié)包括一種作為絕緣體的氧化物，其中氧的濃度相對于對元件所施加電壓的方向是不對稱的，并對所述結(jié)進(jìn)行熱處理。
權(quán)利要求
1.一種鐵磁隧道結(jié)元件，其包括一個隧道結(jié)，該隧道結(jié)具有鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)，并且所述隧道結(jié)具有相對于所施加電壓的方向為不對稱的電壓-電阻特性。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其中在所述絕緣體層中使用這樣一種材料，所述材料具有相對于對元件施加的電壓的方向為不對稱的成分分布。
3.如權(quán)利要求2所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其中該絕緣體是一種氧化物，并且所述氧化物中氧的濃度相對于對元件所施加電壓的方向是不對稱的。
4.如權(quán)利要求1所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其中在絕緣體層和與絕緣體層接觸的一層鐵磁材料之間的邊界中存在絕緣體和鐵磁材料的成分的固溶體，這使得和絕緣體層接觸的兩層的材料互不相同。
5.如權(quán)利要求1到4中任何一個所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其包括多個隧道結(jié)，并通過按這樣一種方式串聯(lián)連接這些隧道結(jié)而被構(gòu)成，即使得它們隨電壓的增加而產(chǎn)生的電阻改變的方向相反。
6.如權(quán)利要求1到4中任何一個所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其包括多個隧道結(jié)，并通過按這樣一種方式并聯(lián)連接這些隧道結(jié)而被構(gòu)成，即使得它們隨電壓的增加而產(chǎn)生的電阻改變的方向相反。
7.如權(quán)利要求5所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其具有磁層(1)/絕緣層(1)/磁層(2)/絕緣層(2)/磁層(3)的層疊結(jié)構(gòu)，并且其中磁層(1)/絕緣層(1)/磁層(2)形成一個隧道結(jié)，磁層(2)/絕緣層(2)/磁層(3)形成另一個隧道結(jié)，這兩個隧道結(jié)以這樣的方式被組合，使得它們的電阻與電壓之間相關(guān)性相互對稱，借以使整個隧道結(jié)元件的電阻值和電阻改變率與電壓的相關(guān)性能夠被減小，并且其中外部磁層(1)和(3)的磁化方向是固定的。
8.如權(quán)利要求7所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其中每個磁層(1)和(3)具有鐵磁層(a)/非磁層(b)/鐵磁層(c)的三層結(jié)構(gòu)，并且鐵磁層(a)和(c)是通過非磁層(b)反鐵磁耦連的。
9.如權(quán)利要求7或8所述的鐵磁隧道結(jié)元件，其中磁層(2)具有一個這樣的厚度，在此厚度下發(fā)生量子諧振隧道效應(yīng)。
10.一種磁檢測器，包括(a)一支撐基片，(b)一鐵磁隧道結(jié)元件，其包括一個隧道結(jié)，該隧道結(jié)具有形成在所述支撐基片上的鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)，所述隧道結(jié)具有沿所施加電壓的方向為不對稱的電壓-電阻特性，以及(c)用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換為電阻的改變的轉(zhuǎn)換元件。
11.如權(quán)利要求10所述的磁檢測器，其中在絕緣體層中使用具有相對于對元件所施加電壓的方向為不對稱的成分分布的材料。
12.如權(quán)利要求11所述的磁檢測器，其中該絕緣體是氧化物，并且該氧化物中氧的濃度相對于對元件所施加電壓的方向是不對稱的。
13.如權(quán)利要求10到12中任一所述的磁檢測器，其中所述鐵磁隧道結(jié)元件具有磁層(1)/絕緣層(1)/磁層(2)/絕緣層(2)/磁層(3)的層疊結(jié)構(gòu)，并且其中磁層(1)/絕緣層(1)/磁層(2)形成一個隧道結(jié)，磁層(2)/絕緣層(2)/磁層(3)形成另一個隧道結(jié)，這兩個隧道結(jié)以這樣的方式被組合，使得它們的電阻與電壓之間相關(guān)性相互對稱，借以使整個隧道結(jié)元件的電阻值和電阻的改變率與電壓的相關(guān)性能夠被減小，并且其中外部磁層(1)和(3)的磁化方向是固定的。
14.如權(quán)利要求13所述的磁檢測器，其中每個磁層(1)和(3)具有鐵磁層(a)/非磁層(b)/鐵磁層(c)的三層結(jié)構(gòu)，并且鐵磁層(a)和(c)是通過非磁層(b)反鐵磁耦連的。
15.一種用于生產(chǎn)鐵磁隧道結(jié)元件的方法，所述鐵磁隧道結(jié)元件包括一個隧道結(jié)，所述隧道結(jié)具有一鐵磁材料/絕緣體/鐵磁材料的層疊結(jié)構(gòu)，所述方法包括使所述隧道結(jié)具有沿對其所施加電壓的方向為不對稱的電壓-電阻特性。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中使隧道結(jié)具有不對稱的電壓-電阻特性的處理通過包括以下步驟進(jìn)行(1)在一層第一鐵磁材料的表面上通過淀積而形成一非磁材料的薄膜，所述非磁材料是一種用作絕緣體的材料，并且能夠和第一鐵磁材料一起形成固溶體，(2)使氧從非磁材料的表面和其進(jìn)行反應(yīng)，從而在所述表面?zhèn)鹊囊粋€區(qū)域?qū)Ρ∧みM(jìn)行氧化，以便將其轉(zhuǎn)換為絕緣體，(3)在所述非磁材料薄膜的被氧化的表面上淀積并形成一第二鐵磁材料層，以及(4)在通過熱處理在步驟(2)中被轉(zhuǎn)換為絕緣體的區(qū)域的下方形成一第一鐵磁材料和非磁材料的固溶體。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種磁檢測器，它包括(1)一支撐基片，(2)一鐵磁隧道結(jié)元件，其具有在該支撐基片上的第一磁層，在所述第一磁層上的隧道絕緣層，所述隧道絕緣層包括氧化鋁，所述氧化鋁是由氧化在第一磁層上形成的鋁膜獲得的，所述鋁膜是使用99.999％或更高純度的鋁靶通過濺射形成的，以及在隧道絕緣層上的第二磁層，以及(3)一用于把磁場的改變轉(zhuǎn)換為電阻的改變的轉(zhuǎn)換元件。此外，作為(2)的鐵磁隧道結(jié)元件，使用其隧道結(jié)具有沿所施加電壓的方向為不對稱的電壓－電阻特性的元件。所述不對稱的電壓－電阻特性可以通過對絕緣層材料的薄膜進(jìn)行熱處理，改變用于形成氧化物的絕緣層的環(huán)境中氧氣的局部壓力，使用兩個或多個用于形成薄膜的靶的材料并移動基片等方法來獲得。
文檔編號G01R33/06GK1542743SQ20041000583
公開日2004年11月3日 申請日期2000年1月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月1日
發(fā)明者佐藤雅重, 菊地英幸, 小林和雄, 幸, 雄 申請人:富士通株式會社