專利名稱：磁阻磁頭以及磁記錄-復(fù)制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用自旋閥(spin-valve)元件的磁阻磁頭以及其中安裝有該磁阻磁頭的磁記錄-復(fù)制裝置。
背景技術(shù)：
近年來，在磁記錄-復(fù)制裝置例如HDD中，記錄密度提高。由于記錄密度提高，作為在記錄介質(zhì)中的記錄單元的記錄位的尺寸也減小，由記錄介質(zhì)產(chǎn)生的信號磁通也較低。在這種情況下，已經(jīng)使用了高靈敏性的磁阻磁頭(MR磁頭)，該磁阻磁頭通過利用磁阻效應(yīng)而直接檢測介質(zhì)磁通。
目前，自旋閥元件(SV-GMR)已經(jīng)用作MR磁通的傳感器元件，該自旋閥元件包括自旋閥(SV)膜，該自旋閥膜包括磁化釘扎(pinned)層(釘扎層)/中間層(分隔器層)/磁化自由層(自由層)，并產(chǎn)生很大的磁阻效應(yīng)。
普通的SV-GMR磁頭是屏蔽SV磁頭，包括SV元件和一對磁屏蔽，SV元件夾在該對磁屏蔽之間，并有一對磁隙，且SV元件是所謂的CIP(平面內(nèi)的電流)-SV元件，其中，檢測電流沿平行于SV膜表面的、在平面內(nèi)的方向流動。
近來，提出了所謂的CPP(垂直于平面的電流)-SV元件，其中，檢測電流沿垂直于SV膜表面的方向流動。因為CPP.SV元件表示了提高的磁阻率(MR率)，因此可以預(yù)期將實現(xiàn)具有很高輸出的GMR磁頭。
當(dāng)試圖進一步提高記錄介質(zhì)的記錄密度時，需要減小磁道寬度和位長度。不過，因為需要在屏蔽SV磁頭中的磁屏蔽之間形成CIP-SV元件或CPP-SV元件，因此將限制屏蔽之間的距離減小以及間隙長度的減小，從而很難滿足減小位長度的要求。
例如，日本專利公開(Kokai)No.6-325329公開了一種結(jié)構(gòu)，其中，用于檢測外部磁場的磁性底層形成為沿磁頭的高度方向從空氣支承表面延伸，磁性底層與磁化自由層耦合，該磁化自由層形成于遠(yuǎn)離空氣支承表面的內(nèi)部。在該結(jié)構(gòu)中，非磁性中間層和磁化釘扎層形成于磁化自由層上，只有磁性底層形成于空氣支承表面附近。
如上所述，在屏蔽GMR磁頭中的間隙長度減小有限，因此，難以滿足減小磁記錄-復(fù)制裝置中的位長度的要求。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種磁阻磁頭，該磁阻磁頭能夠減小間隙長度和磁道寬度，并能夠抑制在磁性層之間的不希望磁耦合；以及提供一種磁記錄-復(fù)制裝置，其中安裝有特殊的磁阻磁頭。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的磁阻磁頭包括第一磁屏蔽；第一絕緣膜，該第一絕緣膜形成于第一磁屏蔽上；磁阻膜，該磁阻膜形成于第一絕緣膜上，并包括鄰近空氣支承表面的磁化自由層、當(dāng)從空氣支承表面方向看時沿磁頭高度方向離開磁化自由層的磁化釘扎層、以及連接該磁化自由層和磁化釘扎層的非磁性中間層，磁化自由層的磁化方向可以在外部磁場中旋轉(zhuǎn)，而磁化釘扎層的磁化方向基本在外部磁場下固定；第二絕緣膜，該第二絕緣膜形成于第一磁阻膜上；以及第二磁屏蔽，該第二磁屏蔽形成于第二絕緣膜上。
附圖的簡要說明

圖1A是本發(fā)明第一實施例的GMR磁頭沿平行于磁道寬度方向的方向的剖視圖，圖1B是GMR磁頭沿平行于磁道方向的方向的剖視圖，而圖1C是GMR磁頭在從空氣支承表面方向看時的平面圖；圖2A至2C分別是示例說明包含在本發(fā)明第一實施例的GMR磁頭中的磁化自由層的結(jié)構(gòu)的剖視圖；
圖3A至3C分別是示例說明包含在本發(fā)明第一實施例的GMR磁頭中的磁化自由層的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖4A和4B分別是說明本發(fā)明第一實施例的GMR磁頭的制造方法的平面圖和剖視圖；圖5A和5B分別是說明本發(fā)明第一實施例的GMR磁頭的制造方法的平面圖和剖視圖；圖6A和6B分別是說明本發(fā)明第一實施例的GMR磁頭的制造方法的平面圖和剖視圖；圖7A和7B分別是說明本發(fā)明第一實施例的GMR磁頭的制造方法的平面圖和剖視圖；圖8A和8B分別是說明本發(fā)明第一實施例的GMR磁頭的制造方法的平面圖和剖視圖；圖9A和9B分別是說明本發(fā)明第一實施例的GMR磁頭的制造方法的平面圖和剖視圖；圖10A和10B分別是說明本發(fā)明第一實施例的GMR磁頭的制造方法的平面圖和剖視圖；圖11A和11B分別是說明本發(fā)明第一實施例的GMR磁頭的制造方法的平面圖和剖視圖；圖12A是本發(fā)明第二實施例的GMR磁頭沿平行于磁道寬度方向的方向的剖視圖，圖12B是GMR磁頭沿平行于磁道方向的方向的剖視圖，而圖12C是GMR磁頭在從空氣支承表面方向看時的平面圖；圖13是本發(fā)明第三實施例的GMR磁頭的剖視圖，該GMR磁頭的方向平行于磁道方向；圖14是本發(fā)明第四實施例的GMR磁頭的剖視圖，該GMR磁頭的方向平行于磁道方向；圖15是表示本發(fā)明實施例的磁記錄-復(fù)制裝置的結(jié)構(gòu)的透視圖；以及圖16是表示本發(fā)明實施例的磁頭組件結(jié)構(gòu)的透視圖。
優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明下面將參考附圖介紹本發(fā)明實施例。順便說明，相同參考標(biāo)號用于在本文中所述的全部實施例中的公共部件，以便省略重復(fù)說明。還有，附圖是便于對本發(fā)明進行說明和理解的簡化圖。盡管在這些實際元件中，各元件的部件的形狀、尺寸、比例不同，但是元件的設(shè)計可以考慮下面的說明和已知技術(shù)而進行合適的變化。
第一實施例下面將根據(jù)本發(fā)明第一實施例介紹屏蔽GMR磁頭。圖1A至1C表示了本實施例的屏蔽GMR磁頭的結(jié)構(gòu)，其中，圖1A是GMR磁頭沿平行于磁記錄介質(zhì)(未示出)的磁道寬度方向的方向的剖視圖，圖1B是GMR磁頭沿平行于磁記錄介質(zhì)(未示出)的磁道方向的方向的剖視圖，而圖1C是表示GMR磁頭在從空氣支承表面(ABS)方向看時的平面圖。圖1A是沿圖1B中所示的線1A-1A的剖視圖。在圖中底側(cè)的表面表示ABS。圖1B是沿圖1A中所示的線1B-1B的剖視圖。在圖中左側(cè)的表面表示ABS。
本實施例的GMR磁頭包括環(huán)繞上述部件的絕緣非磁性膜元件用于將SV元件的電極與除圖1A至1C所示部件之外的檢測電路進行連接的配線。還有，保護層可以合適形成于ABS上，以便保護元件部分，防止出現(xiàn)與記錄介質(zhì)接觸而產(chǎn)生的損壞。在某些情況下，并不形成ABS保護層。檢測電路可以形成于磁頭萬向支架(HGA)上，該磁頭萬向支架中安裝有GMA磁頭，或者形成于磁記錄-復(fù)制裝置的電路板上。
下面將參考圖1B示意說明本實施例的GMR磁頭的結(jié)構(gòu)。底部磁屏蔽(第一磁屏蔽)17、第一絕緣層13、磁阻元件(后面將詳細(xì)介紹)、第二絕緣膜15和上部磁屏蔽(第二磁屏蔽)19以所述順序堆疊在基質(zhì)(未示出)上。如上所述，磁阻元件形成于一對磁屏蔽17和19之間，且絕緣層13和15分別插入該磁阻元件和磁屏蔽17和19之間。底部磁屏蔽17、磁阻元件和上部磁屏蔽19的在圖1B中左側(cè)的邊緣表面構(gòu)成空氣支承表面(ABS)。
本實施例的磁阻元件包括磁化自由層1、非磁性中間層3和磁化釘扎層5，當(dāng)從ABS方向看時，它們沿高度方向以所述順序布置。在非磁性中間層3和磁化自由層1之間以及非磁性中間層和磁化釘扎層5之間形成連接。磁化自由層是磁化方向可以根據(jù)外部磁場而變化的層，而磁化釘扎層5是即使在外部磁場的作用下磁化方向也基本保持不變的層。
磁化釘扎層5與形成于該磁化釘扎層5附近的第一電極7電連接。磁化自由層1通過柱電極21與上部磁屏蔽19進行電連接。第一電極7和上部磁屏蔽19分別通過配線而與檢測和計算電阻的電路(未示出)連接。第一電極7、柱電極21和上部磁屏蔽19中的每一個均由導(dǎo)電材料形成。
如圖1A和1C所示，絕緣層9和11形成于磁化自由層1、非磁性中間層3、磁化釘扎層5和第一電極7的、沿磁道寬度方向的兩側(cè)上。
當(dāng)通過第一電極7和上部磁屏蔽19(柱電極21)而使檢測電流在磁化自由層1、非磁性中間層3和磁化釘扎層5中流動時，電子根據(jù)磁化自由層1的磁化方向和磁化釘扎層5的磁化方向之間的相對角度而在交界面上被耗散(scatter)，從而改變電阻(巨大的磁阻效應(yīng))。
更具體地說，布置在ABS附近區(qū)域中的磁化自由層1的磁化通過由磁記錄介質(zhì)產(chǎn)生的信號磁場而旋轉(zhuǎn)，從而改變磁化方向。作為檢測電流的電子自旋信息根據(jù)磁化方向而變化。當(dāng)具有自旋信息的電子通過非磁性中間層3時，如果電子在磁化釘扎層5和非磁性中間層3之間的交界面上耗散，電子電阻將升高，而如果電子無耗散地經(jīng)過，則電阻降低。當(dāng)電子的自旋信息與磁化釘扎層5的磁化方向反向平行時，電子的耗散最大，而當(dāng)上述自旋信息和磁化信息相互平行時，電子的耗散最小。因此，當(dāng)磁化自由層1和磁化釘扎層5的磁化方向反向平行時電阻最大，而當(dāng)上述磁化方向彼此平行時電阻最小。電阻值的變化與磁化自由層1的磁化方向和磁化釘扎層5的磁化方向之間的相對角度的余弦成正比(自旋閥磁阻效應(yīng))。因此，可以通過測量在磁化自由層1和磁化釘扎層5之間的電阻值而檢測信號磁場的變化。
在本實施例中，當(dāng)從ABS方向看時，磁化自由層1、非磁性中間層3、磁化釘扎層5和第一電極7以所述順序沿磁頭的高度方向形成于絕緣層13上。因此，可以將GMR磁頭設(shè)計成使磁屏蔽17和19之間的距離小于普通屏蔽GMR磁頭。例如，在本實施例中，可以使屏蔽至屏蔽間的距離為大約20nm，不過，在普通屏蔽GMR磁頭中不可能獲得這樣小的屏蔽至屏蔽間距離。因此，本實施例可以在將來高效地獲得超高密度記錄。
在本實施例中，磁化自由層1和磁化釘扎層5并不象普通裝置中那樣沿垂直方向(磁道方向)在屏蔽之間交疊，而是沿橫向布置在屏蔽之間，同時非磁性中間層3插入它們之間，即它們布置成沿橫向方向彼此間開預(yù)定記錄。因此，可以抑制在鐵磁層之間的靜磁耦合和/或?qū)娱g交換耦合。還有，可以使中間層3的厚度減至2.0nm或更小。當(dāng)中間層3制成為如上述較薄時，可以抑制由于量子傳導(dǎo)效應(yīng)而引起的非彈性自旋耗散。
當(dāng)磁化釘扎層5堆疊在形成于基質(zhì)上的磁化自由層1上，并通過蝕刻形成釘扎圖形時，如現(xiàn)有技術(shù)中所述，由磁化釘扎層5或者形成于磁化釘扎層5上的反鐵磁層進行蝕刻，從而使磁化自由層1的處理尺寸比規(guī)定尺寸更大。這產(chǎn)生的缺點是磁道寬度變寬。另一方面，在本實施例的結(jié)構(gòu)中，磁化自由層和磁化釘扎層5可以單獨處理，以便能夠形成具有精確尺寸的磁化自由層1。
磁化自由層1由鐵磁材料形成，該鐵磁材料具有這樣的矯頑磁性，以便使磁化方向能夠在規(guī)定的外部磁場的作用下旋轉(zhuǎn)。
磁化釘扎層5的磁化方向可以通過在該磁化釘扎層5上形成反鐵磁層以獲得反鐵磁耦合而固定。還有，磁化釘扎層5可以這樣形成，即通過使用具有不允許使磁化方向在規(guī)定外部磁場作用下旋轉(zhuǎn)的矯頑磁性的鐵磁材料，并通過進行比如規(guī)定的熱處理而固定磁化方向。
各磁化自由層1和磁化釘扎層5都需要顯示鐵磁性。且各磁化自由層1和磁化釘扎層5都可以是只由鐵磁材料形成的層，或者由鐵磁材料和添加到該鐵磁材料中的另外材料形成的層，該另外材料的添加量為不會削弱鐵磁性。各磁化自由層和磁化釘扎層也可以有由多個不同鐵磁膜構(gòu)成的堆疊結(jié)構(gòu)。而且，各磁化自由層和磁化釘扎層可以是鐵磁膜和另外的非磁性膜(例如圖2和3中所示的底層或保護層)的堆疊膜。
用于使底部磁屏蔽17與磁化自由層1、非磁性中間層3、磁化釘扎層5和第一電極7電絕緣的第一絕緣膜13形成底部磁隙。用于使上部磁屏蔽17與磁化自由層1、非磁性中間層3、磁化釘扎層5和第一電極7電絕緣的第二絕緣膜15形成上部磁隙。在圖1A、1B和1C中表示的各絕緣層9、11、13和15由絕緣材料例如Al2O3或SiO2形成。
當(dāng)夾在上部磁屏蔽19和磁化自由層1之間的柱電極21由非磁性導(dǎo)體形成時，柱電極21起到磁隙作用。柱電極21可以暴露在ABS上，或者可以從該ABS上凹入至使得該柱電極21能夠與磁化自由層1連接。當(dāng)柱電極21形成于偏離在磁化自由層和上部磁屏蔽19之間的間隙的位置處時，可以在磁化自由層1和上部磁屏蔽19之間形成磁隙例如非磁性絕緣體。為了使該磁隙較窄，可以使柱電極21由導(dǎo)電鐵磁材料形成，象上部磁屏蔽19那樣。
柱電極21的截面面積小于磁化自由層1的截面面積，如圖1A中虛線所示，該圖1A表示了GMR磁頭沿平行于磁道寬度方向的方向的截面。這時，有效磁道寬度可以由柱電極21確定。特別是，有效磁道寬度由圖1A中所示的ABS中的柱電極21的寬度來確定。因此，磁化自由層1的寬度可以制成為大于有效磁道寬度，從而提高磁頭的復(fù)制效率。
通常，磁性材料的交換耦合長度為大約0.05μm至0.1μm。當(dāng)處理的磁性材料小于交換耦合長度時，在磁性材料中的磁化自旋運動受到交換耦合的抑制，因此，對外部磁場的靈敏度某些降低。這樣，磁化自由層的尺寸減小，靈敏度和磁頭效率將降低。因此，當(dāng)磁化自由層沿磁道寬度方向的長度大于交換耦合長度時，將保證對外部磁場的靈敏度。還有，當(dāng)柱電極制成為沿磁道寬度方向小于磁化自由層時，可以使檢測電流流入磁化自由層的高靈敏部分。因此，可以獲得較高輸出，同時保持磁頭的復(fù)制效率。
順便說明，當(dāng)充分小的有效磁道寬度由磁化自由層1確定或者當(dāng)對有效磁道寬度沒有限制時，柱電極21和圖1A中所示的磁化自由層1可以有相同的截面面積。
圖2A、2B和2C示例說明了磁化自由層1的結(jié)構(gòu)。這些附圖表示了磁化自由層沿平行于磁道方向的截面。
圖2A表示了堆疊的底層23、磁化自由層25和保護層27。圖2B表示了堆疊的底層23、堆疊偏壓層29、磁化自由層25和保護層27。圖2C表示了堆疊的底層23、磁化自由層25、堆疊偏壓層29和保護層27。底層23與圖1B中所示的第一絕緣層13接觸，而保護層27與圖1B中所示的柱電極21接觸。
當(dāng)磁化自由層1由磁性層單獨形成時，導(dǎo)電電子的、取決于自旋的耗散在非磁性中間層3和磁化自由層1之間的交界面上產(chǎn)生。另一方面，當(dāng)除了磁化自由層25(和堆疊偏壓層29)外還堆疊了由非磁性材料制成的底層23和保護層27時，導(dǎo)電電子的、取決于自旋的耗散在磁化自由層25(和堆疊偏壓層29)和非磁性中間層3之間的交界面上產(chǎn)生。
磁化自由層25由Co、Fe或Ni形成，或者由鐵磁材料(包括這樣的合金，即該合金包含至少50atomic％(at％)的這些金屬)形成。磁化自由層25也可以是由多個鐵磁層形成的堆疊膜，這些鐵磁層由不同材料制成，或者有不同組分。更具體地說，磁化自由層25可以由Co90Fe10(at％的組分比例)、CoFeNi、Ni80Fe20(at％的組分比例)、Fe、Co或Ni。
為了在磁化自由層25內(nèi)部產(chǎn)生取決于自旋的耗散效應(yīng)，磁化自由層25應(yīng)當(dāng)為(鐵磁層/鐵磁層)和它們重復(fù)堆疊的堆疊結(jié)構(gòu)、(鐵磁層/非磁性層)和它們重復(fù)堆疊的堆疊結(jié)構(gòu)、或者通過堆疊這兩種堆疊結(jié)構(gòu)而制成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在本說明書中所用的表達式(A層/B層)表示通過使(A層)形成于絕緣層13上，并使(B層)形成于(A層)上而制成的堆疊結(jié)構(gòu)。
對于(鐵磁層/鐵磁層)的堆疊自由層，可以采用(NiFe/CoFe)、(Fe/NiFe)或(Fe/CoFe)的組合。包含在(鐵磁層/非磁性層)的堆疊自由層中的非磁性層可以由從以下組中選擇的貴金屬形成Au、Ag、Cu、Ir、Ru、Rh、Pd以及Pt。能夠增加在堆疊自由層中的鐵磁層和非磁性層之間的交界面處的耗散的組合例如包括(NiFe/Au)、(NiFe/Ag)、(CoFe/Cu)、(Co/Cu)、(Fe/Au)以及(Ni/Au)。
磁化自由層25可以由(磁性層/Ru/磁性層)的鐵耦合層(合成自由層)形成，以便調(diào)節(jié)Ms×t產(chǎn)品(在飽和磁化和厚度之間的產(chǎn)品)。
底層23例如由Ta/NiFeCr、NiFeCr合金、Ta/Cu、Ta/Cu/Au、Ta/Ru或Ta/NiFe形成。由上述材料形成的底層能夠使磁化自由層25定向成(111)提高它的軟磁特征。因此，磁化自由層的矯頑磁性可以降低，并能夠控制飽和磁致伸縮的絕對值。
保護層27通常由Ta層形成，優(yōu)選是由堆疊的Ta層和貴金屬層例如Ta/Au(或Pt、Ir、Ru、Rh)形成。因為包含在堆疊中的貴金屬層可以抗RIE(反應(yīng)離子蝕刻)性，因此，貴金屬層作為在柱形成處理中采用RIE時的停止層，從而可以抑制由過度蝕刻而對磁化自由層25造成的損害。貴金屬層也能有效減小與柱電極21的接觸電阻。
圖3A、3B和3C示例表示了磁化釘扎層5的結(jié)構(gòu)。這些圖表示了磁化釘扎層的、沿平行于磁道方向的方向的截面。
圖3A表示了堆疊的底層31、磁化釘扎層33、反鐵磁膜35和保護層37。圖3B表示了堆疊的底層31、反鐵磁膜35、磁化釘扎層33和保護層37。圖3C表示了堆疊的底層31、磁化釘扎層33和保護層37。在反鐵磁膜33和磁化釘扎層35之間施加交換耦合。
磁化釘扎層35由從以下組中選定的金屬形成Co、Fe和Ni，或者由鐵磁材料(包括這樣的合金，即該合金包含至少50at％的任意上述金屬)形成。更具體地說，磁化釘扎層35例如由Co90Fe10(at％的組分比例)、CoFeNi、Ni80Fe20(at％的組分比例)、Fe、Co或Ni。
為了在磁化釘扎層內(nèi)部產(chǎn)生取決于自旋的耗散效應(yīng)，該磁化釘扎層應(yīng)當(dāng)為(鐵磁層/鐵磁層)和它們重復(fù)堆疊的堆疊結(jié)構(gòu)、(鐵磁層/非磁性層)和它們重復(fù)堆疊的堆疊結(jié)構(gòu)、或者通過堆疊這兩種堆疊結(jié)構(gòu)而制成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
對于(鐵磁層/鐵磁層)的堆疊釘扎層，可以采用(NiFe/CoFe)、(Fe/NiFe)或(Fe/CoFe)的組合。包含在(鐵磁層/非磁性層)的堆疊釘扎層中的非磁性層可以由從以下組中選擇的貴金屬形成Au、Ag、Cu、Ir、Ru、Rh、Pd以及Pt。能夠增加在鐵磁層和非磁性層之間的交界面處的耗散的組合例如包括(NiFe/Au)、(NiFe/Ag)、(CoFe/Cu)、(Co/Cu)、(Fe/Au)以及(Ni/Au)。
為了提高釘扎阻力，優(yōu)選是使用由(磁性層/Ru/磁性層)形成的鐵耦合層(合成釘扎層)。
反鐵磁膜33例如可以由從以下組中選定的合金形成PtMn、IrMn、RhMn、CrMn、CrPtMn以及FeMn。
在圖3C中，硬磁性材料用于磁化釘扎層35，以便能夠省略反鐵磁膜33。用于磁化釘扎層35的硬磁性材料例如包括從以下組中選定的合金CoPt、FeCo和SmCo。還可以堆疊由上述材料形成的硬磁性層和磁化釘扎層35，以便能夠通過離散來自硬磁性層的磁通來固定該磁化釘扎層35的磁化。
非磁性中間層3主要由從以下組中選定的導(dǎo)電非磁性材料形成Be、Al、Mg、Ca、Cu、Au、Ag、Rh、Ru和Ir。不過，優(yōu)選是對于由例如磁疇壁形成的磁阻效應(yīng)，非磁性中間層可以采用導(dǎo)電磁性材料。還有，當(dāng)利用隧道磁阻效應(yīng)(TMR)時，非磁性中間層由絕緣材料例如Al2O3和SiO2形成。本文中所用的術(shù)語“中間層”覆蓋了非磁性導(dǎo)電中間層、磁性導(dǎo)電中間層和非磁性絕緣中間層。
當(dāng)非磁性導(dǎo)電材料用于非磁性中間層3時，可以獲得足夠大的自旋擴散長度(大約50nm或更大)。因此，自旋電子從磁化自由層1傳遞給磁化釘扎層5，同時保持自旋信息，因此可以獲得更高的MR率。
為了獲得足夠的自旋擴散長度，非磁性中間層3可以使用碳基材料，例如納米碳管。不過，應(yīng)當(dāng)知道，在納米碳管的非磁性中間層3和磁化自由層1或磁化釘扎層5之間的連接應(yīng)當(dāng)為金屬/半導(dǎo)體連接。更具體地說，復(fù)合層或氧化層將形成于金屬/半導(dǎo)體連接上，因此，將由該復(fù)合層和氧化層來形成阻礙自旋電子傳送的屏障。因此，優(yōu)選是在金屬層和半導(dǎo)體層之間形成貴金屬層，例如包括Pt或Au。順便說明，在非磁性絕緣材料用于中間層以便實現(xiàn)自旋隧道傳導(dǎo)的TMR中，連接將沒有任何問題。
當(dāng)非磁性導(dǎo)電材料用于非磁性中間層3時，優(yōu)選是采用產(chǎn)生鏡反射作用的鏡面膜作為非磁性中間層3的底層或保護層。也可以采用通過重復(fù)堆疊鏡面膜和非磁性中間層而制成的堆疊結(jié)構(gòu)。鏡面膜也可以使用氧化物、氮化物、氟化物或硼化物的磁性材料或非磁性材料。這時，可以抑制在非磁性中間層和底層或保護層之間的交界面處的非彈性耗散分量，從而可以增加在該非磁性中間層中的導(dǎo)電電子的自旋擴散長度，從而提高MR率。
當(dāng)在采用磁性導(dǎo)電材料作為中間層的情況下將中間層的厚度設(shè)置為大約1nm或更小，且中間層的寬度設(shè)置為大約10nm時，導(dǎo)電電子的電流通路將變得非常短，因此，電子進行量子機械引導(dǎo)。結(jié)果，因為沖擊作用，可以產(chǎn)生更大的MR效果。用于中間層的磁性導(dǎo)電材料例如包括Ni、Co、Fe以及包含這些金屬的合金。為了縮短電子的傳導(dǎo)通路，可以使用包含細(xì)磁性顆粒的粒狀膜，該細(xì)磁性顆粒包括Ni、Fe或Co。
柱電極21可以形成于磁化自由層1和底部磁屏蔽17之間。這時，底部磁屏蔽17用作電極。另一方面，絕緣非磁性層形成于磁化自由層1和上部磁屏蔽19之間。非磁性材料層可以與絕緣層15一體形成，或者分別形成。
電極可以形成于磁化自由層1附近。這時，并不需要使用磁屏蔽17和19作為電極。
下面將參考圖4A、4B、5A、5B、6A、6B、7A、7B、8A、8B、9A、9B、10A、10B、11A和11B來介紹圖1A、1B和1C中所示的GMR磁頭的制造方法。順便說明，在附圖標(biāo)號后面的字母“A”(例如圖4A)表明該圖是表示在制造處理過程中磁頭上表面的平面圖，而字母“B”表明該圖是表示沿平面圖中的線B-B(例如4B-4B)的剖視圖。
在第一步驟中，厚度為大約200nm的Ni80Fe20層例如通過電鍍或濺射而形成于例如Al2O3.TiC基質(zhì)(未示出)上。然后，Al2O3層通過IBS(離子束濺射)而在底部磁屏蔽17上形成大約10nm厚，從而形成第一絕緣層13。
然后，通過濺射而在絕緣層13上連續(xù)形成底層、堆疊偏壓層、磁化自由層和保護層，從而形成磁化自由層的堆疊膜43。底層包括厚度為大約5nm的Ta膜以及厚度為大約2nm的Ru膜。堆疊偏壓層包括厚度為大約10nm的IrMn膜、厚度為大約5nm的CoFe膜、厚度為大約1nm的Cu膜、厚度為大約2nm的Ru膜以及厚度為大約1nm的Cu膜。磁化自由層由厚度為大約5nm的NiFe膜形成。保護層包括厚度為大約5nm的Ta膜以及厚度為大約2nm的Au膜。然后，用于磁化自由層的堆疊膜43通過利用T形的兩層阻擋層41作為屏蔽(見圖4A和4B)進行離子束蝕刻而形成圖形。
在下一步驟中，通過濺射在整個表面上連續(xù)形成底層、反鐵磁層、磁化釘扎層和保護層，從而形成磁化釘扎層的堆疊膜45。底層包括厚度為大約5nm的Ta膜和厚度為大約2nm的Ru膜。反鐵磁層由厚度為大約15nm的PtMn膜形成。磁化釘扎層包括厚度為大約3nm的CoFe膜、厚度為大約1nm的Ru膜以及厚度為大約3nm的CoFe膜。保護層由厚度為大約5nm的Ta膜形成。然后，將堆疊膜的、用于沉積在阻擋層41上的磁化釘扎層的那一部分去除，以便除去在絕緣層13上的、用于磁化釘扎層的堆疊膜45在靠近用于磁化釘扎層的堆疊膜43處的部分(見圖5A和5B)。
在下一步驟中，用于磁化自由層的堆疊膜43和用于磁化釘扎層的堆疊膜45通過利用T形的兩層阻擋層47作為屏蔽(見圖6A和6B)進行離子束蝕刻而形成圖形。
在下一步驟中，用于非磁性中間層3和第一電極7的、厚度為大約30nm的Cu膜形成于整個表面上。然后，除去在阻擋層47上的Cu膜，以便形成用于非磁性中間層的Cu膜49和用于第一電極的Cu膜51(見圖7A和7B)。
在下一步驟中，通過使用T.形的阻擋層53作為屏蔽，用于磁化自由層的堆疊膜43、用于非磁性中間層的Cu膜49、用于磁化自由層的堆疊膜45以及用于第一電極的Cu膜51可以通過離子束蝕刻而部分除去，從而獲得圖形，以便確定磁道寬度(沿圖8A的垂直方向)。這樣，將形成磁化自由層1、非磁性中間層3、磁化釘扎層5和第一電極7(見圖8A和8B)。
在下一步驟中，在整個表面上形成厚度為大約30nm的Al2O3膜，隨后除去在阻擋層53上的Al2O3膜部分，以便形成絕緣層9和11(見圖9A和9B)。
在下一步驟中，在整個表面上形成厚度為大約30nm的SiO2膜，隨后對SiO2膜表面進行CMP(化學(xué)機械拋光)，直到SiO2膜的厚度減小至大約20nm。然后，通過光刻術(shù)形成阻擋層55。該SiO2膜通過利用阻擋層55作為屏蔽進行RIE(反應(yīng)離子蝕刻)而進行部分蝕刻，以便形成柱電極21的接觸孔57。該接觸孔沿磁道寬度方向(圖10A中的垂直方向)的寬度為大約0.1μm。應(yīng)當(dāng)知道，環(huán)繞接觸孔的SiO2膜對應(yīng)于圖1中的第二絕緣膜15(見圖10A和10B)。
在下一步驟中，除去阻擋層55，隨后形成厚度為大約300nm的NiFe膜，以便充滿該接觸孔57，并覆蓋絕緣膜15，從而形成柱電極21和上部屏蔽19(見圖11A和11B)。
然后形成配線，以便使第一電極7和上部屏蔽19與檢測電路等連接。而且，在磁化自由層1側(cè)的表面進行拋光，以便形成空氣支承表面(ABS)，隨后形成用于覆蓋該ABS的保護層，從而完成第一實施例的GMR磁頭的制造。
根據(jù)第一實施例的GMR磁頭可以通過上述制造方法在晶片級上形成。
第二實施例下面介紹本發(fā)明第二實施例的GMR磁頭。圖12A是GMR磁頭沿平行于磁道寬度方向的方向的剖視圖；圖12B是GMR磁頭沿平行于磁道方向的方向的剖視圖；而圖12C是GMR磁頭在從ABS方向看時的平面圖。圖12A是沿圖12B中的線12A-12A的剖視圖。在圖中底側(cè)的表面表示ABS。圖12B是沿圖12A中的線12B-12B的剖視圖。在圖中左側(cè)的表面表示ABS。除了在圖12A至12C中所示的部件之外，本發(fā)明的GMR磁頭還包括環(huán)繞上述部件的絕緣非磁性膜以及用于使SV元件與檢測電路等連接的配線。
如圖12B和12C所示，形成堆疊的底側(cè)23、磁化自由層25和保護層27。如圖12A和12C所示，還形成一對硬偏壓層59和61，該對硬偏壓層59和61設(shè)置成施加縱向偏壓。該縱向偏壓是沿圖12C中從左至右方向的磁偏壓，該方向平行于ABS，也平行于磁化自由層25的表面。為了有效地向磁化自由層25施加磁偏壓，優(yōu)選是使得在磁化自由層25兩側(cè)的硬偏壓層59和61都形成為沿磁道寬度方向延伸。
硬偏壓層59和61可以使用基于Co的硬磁性材料，例如CoPt、CoCr和CoCrPt，或者其它硬磁性材料。硬偏壓層59和61可以形成于厚度為大約1nm至大約20nm的底層例如Cr層上。
優(yōu)選是，硬偏壓層59、61通過絕緣膜9和11而與磁化自由層電絕緣，如圖12A和12C所示。絕緣層例如可以使用Al2O3或SiO2。各絕緣層9和11可以插入硬偏壓層59、61和磁化自由層之間，以便使厚度在大約2nm和大約10nm之間。為了保證絕緣特性，各絕緣層9和11必須有至少大約2nm的厚度。各絕緣層9和11的厚度不應(yīng)當(dāng)超過大約10nm，以便保證偏壓磁場。
也可以省略硬偏壓層59、61，并將反鐵磁層堆疊在磁化自由層25上，以便向磁化自由層25施加縱向偏壓。更具體地說，可以采用以下結(jié)構(gòu)(1)和(2)中的任意一種(1)反鐵磁層形成于磁化自由層25上，且非磁性導(dǎo)電膜插入它們之間。該特殊結(jié)構(gòu)允許反鐵磁膜和鐵磁膜之間進行交換耦合，同時非磁性膜插入它們之間(長距離交換耦合方法)。(2)反鐵磁膜、偏壓鐵磁膜、非磁性膜和磁化自由層25以所述順序形成。該特殊結(jié)構(gòu)通過由反鐵磁膜釘扎的、量子偏壓鐵磁膜的離散磁場來控制磁化自由層的磁化方向以及磁各向異性(靜磁耦合方法)。在上述堆疊結(jié)構(gòu)中，盡管各個膜可以連續(xù)堆疊，但是并不限制堆疊順序。
對于反鐵磁膜，可以使用從以下組中選定的合金IrMn、PtMn、CrMn、PtCrMn、PhMn和FeMn。
當(dāng)反鐵磁膜用于磁化釘扎層和磁化自由層時，可以使得通過兩個反鐵磁膜釘扎的磁化方向彼此垂直。為了實現(xiàn)該特殊情況，可以使用不同類型的反鐵磁材料，或者使該反鐵磁材料有阻擋溫度彼此不同的控制組分。即使當(dāng)反鐵磁材料有彼此不同的阻擋溫度，也可以通過使得用于磁化自由層的反鐵磁膜比用于磁化釘扎層的反鐵磁膜厚而控制阻擋溫度。
在圖12B中，磁化釘扎層63形成為比磁化自由層1厚。這時，反鐵磁膜形成為在磁化釘扎層63中比磁化釘扎層更厚。當(dāng)反鐵磁膜的厚度充分增加時，可以進一步提高在反鐵磁膜和鐵磁膜之間的交換耦合消失時的阻擋溫度，或者可以獲得更大的交換耦合。這可以解釋為由于結(jié)晶度即(111)晶粒方向和晶粒尺寸增加可以通過增加反鐵磁膜的厚度來進行控制，以便使反鐵磁膜的磁化穩(wěn)定。
在本實施例中，磁化釘扎層63首先在溫度T1和磁場H1下在方向垂直于ABS的磁場中進行退火，隨后使磁化自由層1在溫度T2(＜T1)和磁場H2(＜H1)下在方向垂直于ABS的磁場中進行退火。因此，磁化釘扎層5的磁化方向在無磁場的情況下(在初始狀態(tài)下)垂直于磁化自由層1的磁化方向。
第三實施例圖13是表示本發(fā)明第三實施例的GMR磁頭的結(jié)構(gòu)的剖視圖。在本實施例中，非磁性中間層3形成于絕緣層13上，磁化自由層1和磁化釘扎層5形成于非磁性中間層3上。磁化自由層1和磁化釘扎層5形成為彼此分離，并通過絕緣膜69而彼此電絕緣。用于靜磁GMR元件的電阻的檢測電流流過第一電極7、磁化釘扎層5、非磁性中間層3、磁化自由層1、柱電極21和上部磁屏蔽19。
在本實施例中，磁化自由層1和磁化釘扎層5與非磁性中間層3的相同表面連接。只要可以獲得令人滿意的電連接，則磁化自由層1和磁化釘扎層5與非磁性中間層3局部連接就是足夠的。
在上述結(jié)構(gòu)中，非磁性中間層3作為用于磁化自由層1和磁化釘扎層5的底層。當(dāng)非磁性中間層3作為底層時，可以提高磁化自由層1和磁化釘扎層5的(111)晶向。通常，該晶向可以通過利用X射線衍射測量觀察在(111)衍射峰值的搖擺曲線的最大值的一半處的全寬度(FWHW)來估計。
在本實施例中，檢測電流沿垂直于膜平面的方向(圖13中的垂直方向)從柱電極21流過在ABS附近的磁化自由層1區(qū)域。因此，具有自旋信息的電子通過非磁性中間層3高效供給磁化釘扎層5中。
還有，在非磁性中間層3和磁化自由層1之間以及在非磁性中間層3和磁化釘扎層5之間的交界面顯著不同，因此，電子的彈性耗散可以在該交界面處被預(yù)計，隨后可以預(yù)期產(chǎn)生更大的MR率。
第四實施例圖14是表示根據(jù)本發(fā)明第四實施例的GMR磁頭的結(jié)構(gòu)的剖視圖。在本實施例中，要進行復(fù)制的磁記錄介質(zhì)的記錄磁道沿圖14中的垂直方向延伸，GMR磁頭相對于磁記錄介質(zhì)沿磁道方向運動。
本實施例的GMR磁頭有雙重結(jié)構(gòu)，其中，兩個第一實施例的GMR元件夾在磁屏蔽17和19之間。更具體地說，GMR元件(A)和GMR元件(B)形成為彼此間開，同時第三絕緣膜73插入它們之間。
GMR元件(A)包括磁化自由層1A、非磁性中間層3A、磁化釘扎層5A和電極7A，柱電極21A使磁化自由層1A與上部磁屏蔽19電連接。GMR元件(B)包括磁化自由層1B、非磁性中間層3B、磁化釘扎層5B和電極7B，柱電極21B使磁化自由層1B與底部磁屏蔽17電連接。
GMR元件(A)和(B)形成為相對于第三絕緣膜73對稱。GMR元件(A)的有效磁隙通過在ABS處并在上部磁屏蔽19和磁化自由層1A之間的柱電極21A以及在磁化自由層1A和磁化自由層1B之間的絕緣膜73來提供。GMR元件(B)的有效磁隙通過在ABS處并在磁化自由層1B和磁化自由層1A之間的絕緣膜73以及在磁化自由層1B和底部磁屏蔽17之間的柱電極21B來提供。因此，與根據(jù)另一實施例形成兩個GMR元件的情況相比，用于兩個GMR元件的有效磁隙可以進一步變窄。
上述GMR磁頭可以安裝在磁記錄-復(fù)制裝置中，例如以磁頭萬向組件形式的硬盤驅(qū)動器。將GMR磁頭安裝在磁記錄-復(fù)制裝置中的技術(shù)為本領(lǐng)域已知。
圖15是示意表示磁記錄-復(fù)制裝置150的結(jié)構(gòu)的透視圖。該磁記錄-復(fù)制裝置150為使用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的類型。如圖所示，垂直磁記錄磁盤151固定在心軸152上，并根據(jù)由驅(qū)動控制器(未示出)供給的控制信號而通過馬達沿箭頭A表示的方向旋轉(zhuǎn)。磁記錄-復(fù)制裝置150可以具有多個磁盤151。
用于將數(shù)據(jù)寫入磁盤151中以及從該磁盤151中讀出數(shù)據(jù)的磁頭滑動器153布置在懸臂154的頂端上。包括本發(fā)明實施例的磁阻元件的磁頭形成于磁頭滑動器153的頂端部分上。當(dāng)磁盤151旋轉(zhuǎn)時，磁頭滑動器153的空氣支承表面(ABS)浮動保持在離該磁盤151表面規(guī)定間隙高度處。順便說明，磁記錄-復(fù)制裝置可以為使得磁頭滑動器153與磁盤151接觸的接觸類型。
懸臂154與促動器臂155的一端相連，該促動器臂155包括在另一端的、用于保持驅(qū)動線圈(未示出)的線軸部分。作為一種線性馬達的音圈電機156布置在促動器臂155的另一端上。該音圈電機156包括驅(qū)動線圈(未示出)，該驅(qū)動線圈纏繞在促動器臂155的線軸部分上；以及永磁體和相對軛鐵，該永磁體和相對軛鐵布置成彼此相對，且驅(qū)動線圈夾在它們之間，其中，這些部件構(gòu)成磁路。促動器臂155通過布置在樞軸157的上部和底部的滾珠軸承(未示出)來保持，并可以通過音圈電機156而旋轉(zhuǎn)。
圖16以放大形式表示磁頭組件160的透視圖，它是從磁盤方向看。更具體地說，磁頭組件160包括促動器臂155，該促動器臂155包括用于保持驅(qū)動線圈的線軸部分，懸臂154與該促動器臂155的一端連接。磁頭滑動器153安裝在懸臂154的頂端上，該磁頭滑動器153有磁頭，該磁頭包括本發(fā)明實施例的磁阻元件。懸臂154包括用于寫和讀信號的引線164。該引線164與形成于磁頭滑動器153上的磁頭的各個磁極電連接。圖中所示的參考標(biāo)號165表示磁頭組件的電極襯墊。根據(jù)本發(fā)明，即使在記錄密度明顯高于現(xiàn)有技術(shù)的情況下，通過使用包括上述磁阻元件的磁頭，可以毫無故障地讀出記錄在磁記錄磁盤151中的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明并不局限于上述實施例，在由附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍內(nèi)，可以進行各種變化。
還有，在實際實施發(fā)明時，可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下對本發(fā)明進行各種變化。
而且，通過對上述實施例中所述的多個構(gòu)件進行合適組合，可以實現(xiàn)各種發(fā)明。例如，可以省略上述實施例中所述的所有構(gòu)件中的某些構(gòu)件。還有，可以使不同實施例中的構(gòu)件進行合適組合。
權(quán)利要求
1.一種磁阻磁頭，包括第一磁屏蔽；第一絕緣膜，該第一絕緣膜形成于第一磁屏蔽上；磁阻膜，該磁阻膜形成于第一絕緣膜上，并包括鄰近空氣支承表面的磁化自由層、當(dāng)從空氣支承表面方向看時沿磁頭高度方向離開磁化自由層的磁化釘扎層、以及連接該磁化自由層和磁化釘扎層的非磁性中間層，磁化自由層的磁化方向可以在外部磁場中旋轉(zhuǎn)，而磁化釘扎層的磁化方向在外部磁場的作用下基本上被固定；第二絕緣膜，該第二絕緣膜形成于第一磁阻膜上；以及第二磁屏蔽，該第二磁屏蔽形成于第二絕緣膜上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，還包括電極，該電極設(shè)置成使第一和第二磁屏蔽中的一個與磁化自由層電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁阻磁頭，其中電極由非磁性材料形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁阻磁頭，其中電極在磁道寬度方向上的寬度小于磁化自由層在磁道寬度方向上的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，其中當(dāng)從空氣支承表面方向看時，中間層在高度方向上夾在磁化自由層和磁化釘扎層之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，其中當(dāng)從空氣支承表面方向看時，絕緣層在高度方向上夾在磁化自由層和磁化釘扎層之間；磁化自由層和磁化釘扎層形成于該中間層的同一側(cè)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，還包括底層和保護層，磁化自由層是形成于該底層和保護層之間的鐵磁層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，還包括底層、形成于該底層上的偏壓層以及保護層，磁化自由層是形成于該偏壓層和保護層之間的鐵磁層，保護層形成于該鐵磁層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，還包括底層、偏壓層和形成于該偏壓層上的保護層，磁化自由層是形成于該底層和偏壓層之間的鐵磁層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，還包括底層、反鐵磁層以及形成于該反鐵磁層上的保護層，磁化釘扎層是形成于該底層和反鐵磁層之間的鐵磁層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，還包括底層、形成于該底層上的反鐵磁層以及保護層，磁化釘扎層是形成于該反鐵磁層和保護層之間的鐵磁層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，還包括底層和保護層，磁化釘扎層是形成于該底層和保護層之間的硬磁層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，其中硬偏壓層形成于磁化自由層的沿磁道寬度方向的兩側(cè)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，其中磁化釘扎層的厚度比磁化自由層的厚度大。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭，其中非磁性中間層的厚度不大于2.0納米。
16.一種磁阻磁頭，包括沿磁道方向布置的第一磁屏蔽、第一絕緣膜、第一磁阻膜、第三絕緣膜、第二磁阻膜、第二絕緣膜和第二磁屏蔽，各第一和第二磁阻膜包括磁化自由層，該磁化自由層形成于空氣支承表面附近的區(qū)域，它的磁化方向可通過外部磁場而旋轉(zhuǎn)；磁化釘扎層，當(dāng)從空氣支承表面方向看時，該磁化釘扎層形成為沿高度方向離開磁化自由層，它的磁化方向在外部磁場的作用下基本上被固定；以及非磁性中間層，該非磁性中間層與磁化自由層和磁化釘扎層連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的磁阻磁頭，還包括電極，該電極設(shè)置成使第一磁屏蔽與第一磁阻膜中的磁化自由層電連接；以及另一電極，該另一電極設(shè)置成使第二磁屏蔽與第二磁阻膜中的磁化自由層電連接。
18.一種磁記錄-復(fù)制裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻磁頭。
19.一種制造磁阻磁頭的方法，包括在第一絕緣膜上形成鐵磁膜；通過蝕刻處理由該鐵磁膜形成第一和第二鐵磁部分，該第一鐵磁部分鄰近預(yù)定的空氣支承表面，該第二鐵磁部分在高度方向上自預(yù)定的空氣支承表面凹入；在第一和第二鐵磁部分之間形成非磁性部分；以及在第一和第二鐵磁部分以及非磁性部分的上方形成第二絕緣膜。
20.一種制造磁阻磁頭的方法，包括在非磁性層上形成鐵磁膜；通過蝕刻處理由該鐵磁膜形成第一和第二鐵磁部分，該第一鐵磁部分鄰近預(yù)定的空氣支承表面，該第二鐵磁部分沿在高度方向上自預(yù)定的空氣支承表面凹入；在第一和第二鐵磁部分之間形成絕緣材料；以及在第一和第二鐵磁部分以及絕緣材料的上方形成第二絕緣膜。
全文摘要
一種磁阻磁頭，包括沿磁道方向布置的第一磁屏蔽、第一絕緣膜、磁阻膜、第二絕緣膜和第二磁屏蔽。磁阻膜包括鄰近空氣支承表面的磁化自由層、當(dāng)從空氣支承表面方向看時沿磁頭高度方向離開磁化自由層的磁化釘扎層、以及連接該磁化自由層和磁化釘扎層的非磁性中間層，磁化自由層的磁化方向可以在外部磁場中旋轉(zhuǎn)，而磁化釘扎層的磁化方向在外部磁場的作用下基本上被固定。
文檔編號H01L43/08GK1551111SQ20041000673
公開日2004年12月1日 申請日期2004年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月26日
發(fā)明者吉川將壽, 高岸雅幸, 幸 申請人:株式會社東芝