CN100517465C - 磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于重放磁记录信息的磁传感器及其制造方法，以及搭载该传感器的磁记录重放装置。其目的是抑制巴克豪森噪音的发生。它是在纵向偏磁施加层和上部磁屏蔽层之间，或者，纵向偏磁施加层、上部磁屏蔽层和磁阻效应膜之间，插入至少含有非磁性金属层的隔离层，使纵向偏磁施加层和磁阻效应膜的自由层最短距离，大于纵向偏磁施加层和上部磁屏蔽层间的最短距离。由此，由纵向偏磁施加层进行磁阻效应膜的自由层中的磁通量大于被上部磁屏蔽层吸收的磁通量，从而可获得能抑制巴克豪森噪音的磁传感器。

Description

磁传感器
技术领域
本发明是关于重放磁记录信息的磁传感器及其制造方法，以及搭载该传感器的磁记录重放装置。
背景技术
根据外部磁场的变化，利用电阻变化的磁阻效应的磁传感器，作为优良的磁场传感器已广为人知，作为用于从磁记录重放装置的主要部件磁记录介质检测信号磁场的重放元件，早已实用化。
磁记录重放装置的记录密度仍不断显著地提高，与此相伴，对于磁头则要求磁道宽度狭小化，同时，对记录、重放两种特性也要求高性能化。关于重放特性，通过发展利用磁阻效应的MR磁头，高灵敏度化正迅速发展。以数Gb/in2的低记录密度，使用各向异性磁阻效应(AMR)，将记录介质上的磁信号转变成电信号，形成超过它的高记录密度时，可采用更高灵敏度的巨大磁阻效应(GMR)。
进而，对于高记录密度化的要求，伴随着上部磁屏蔽层和下部磁屏蔽层的间距(重放间隙)的狭小化，对高灵敏度化进行研究时，开发了一种在垂直于形成有利于膜面的方向上流动检测电流方式的GMR(CPP-GMR)，和利用隧道磁阻效应(TMR)的重放元件。
当重放元件产生巴克豪森噪音时，S/N的损失很大，需要抑制这种损失。这种巴克豪森噪音，由于伴随着微观的磁畴壁移动，所以最重要的是配置纵向偏磁施加层，使磁阻效应膜的自由层形成单磁区。这种纵向偏磁施加层，多数配置在从介质相对一面见到的重放元件磁道宽度方向的两端处。
纵向偏磁施加层，通常使用在适当的底金属膜上形成的硬磁材料。在垂直上述膜面的方向上流动检测电流方式的重放元件中，必须防止由于电流在纵向偏磁施加层中流动产生检测电流的泄露，和由此引起的输出降低。
例如，在日本特开平10-162327号公报中记载了一种结构，即，在纵向偏磁施加层和磁阻效应元件膜之间、纵向偏磁施加层和下部磁屏蔽层之间，及纵向偏磁施加层和上部磁屏蔽层之间，通过设置绝缘层以防泄露。
在日本特开2001-6130号公报中公开了一种隧道磁阻效应型磁头，即，在磁阻效应膜和屏蔽层之间，通过设置非磁性的而且具有导电性的间隔层，消除了隧道电流的不均匀性。
如上所述，设置纵向偏磁施加层，其目的是通过对磁阻效应膜的自由层施加磁场，使自由层形成单磁区，以抑制巴克豪森噪音。另一方面，设置下部磁屏蔽层和上部磁屏蔽层，其目的是为了使磁阻效应膜正确读取记录在记录介质上的磁化信息，吸收来自邻接位或外部的磁场，因此，磁阻效应膜能对每个位点单独地检测记录在记录介质上的磁场。
实际制作磁头时，如图1所示，使纵向偏磁施加层1和上部磁屏蔽层4的距离，比纵向偏磁施加层1和磁阻效应膜2的自由层7的距离更为接近。这是因为在磁阻效应膜2的两端部分，利用剥离法形成配置绝缘层5/纵向偏磁施加层1/第二绝缘层6的结构时，剥离图案的宽度和下切的量很小，在磁阻效应膜2附近，第二绝缘层6在纵向偏磁施加层1的上部中很难得到充分厚度的膜。
由于纵向偏置施加层1比磁阻效应膜2更接近上部磁屏蔽层4，纵向偏置施加层1的磁场被上部磁屏蔽层4吸收的磁通量大于进入磁阻效应膜2的自由层7中的磁通量，这就成为产生巴克豪森噪音的原因。
发明内容
本发明就是鉴于上述问题而提出的，目的是回避上述所讲工艺中的问题，确实使来自纵向偏磁施加层1的磁场施加到磁阻效应膜2的自由层7上，使自由层7形成单磁区，通过抑制巴克豪森噪音，提供稳定性优良的磁传感器，和具有该传感器的磁记录装置。
为了达到上述目的，本发明通过以下手段即可达到，即，在具有由下部磁屏蔽层和上部磁屏蔽层形成的一对磁屏蔽层、和配置在上述一对磁屏蔽层之间的、具有自由层、中间层和固定层的叠层结构的磁阻效应膜、和配置在上述磁阻效应膜的磁道宽度方向两端部分的一对纵向偏磁施加层的、使电流在上述磁阻效应膜的膜厚方向上流动的磁传感器中，在上部磁屏蔽层和纵向偏磁施加层之间，设置至少含有非磁性金属层的隔离层。
具体讲，主要的其特征在于在上述上部磁屏蔽层和上述纵向偏磁施加层之间具有至少含有非磁性金属层的隔离层，上述纵向偏磁施加层和上述磁阻效应膜的自由层的最短距离，比上述纵向偏磁施加层和上述上部磁屏蔽层的最短距离更短。
再一个其特征在于上述纵向偏磁施加层和上述磁阻效应膜的自由层的最短距离，比上述纵向偏磁施加层和上述上部磁屏蔽层的最短距离更短。
通过这种构成，回避了上述剥离图案宽度和下切量的问题，很容易使纵向偏磁施加层和上部磁屏蔽层的距离大于纵向偏磁施加层和磁阻效应膜的自由层的距离，从纵向偏磁施加层进入磁阻效应膜的自由层中的磁通量能大于被上部磁屏蔽层吸收的磁通量。其结果，可抑制巴克豪森噪音的发生，得到稳定的磁传感器。
附图说明
图1是现有的CPP结构的磁传感器的断面图。
图2是本发明中进行研究的计算模式的磁传感器的模式图。
图3是表示Y/X与施加在自由层端部的磁场强度之间关系的特性图。
图4是本发明实施例1的磁传感器的断面图。
图5是表示本发明实施例1的磁传感器的制造方法的模式图。
图6是表示本发明实施例1的磁传感器的磁阻效应膜附近的模式图。
图7是表示Y/X和COD关系的特性图。
图8是本发明实施例2的磁传感器的断面图。
图9是表示本发明实施例2的磁传感器的制造方法的模式图。
图10是表示本发明实施例2的磁传感器的制造方法的一个过程的模式图。
图11是表示本发明实施例3的磁传感器断面的模式图。
图12是表示本发明实施例3的磁传感器的制造方法的模式图。
具体实施方式
首先，利用简化的模式，对插入隔离层的效果，利用计算机进行研究，所用计算模式的磁传感器示于图2。在该计算中，将上部磁屏蔽层4和下部磁屏蔽层3夹持上述磁阻效应膜2部分的间隔取为重放间隙长h，将纵向偏磁施加层1的厚度取为30nm、将纵向偏磁施加层和下部磁屏蔽层的距离取为15nm。将纵向偏磁施加层1的磁通密度取为1.0T进行计算。
首先，将上部磁屏蔽层4和下部磁屏蔽层3夹持上述磁阻效应膜部分的间隔取为重放间隙长h。其次，将磁阻效应膜2和在磁阻效应膜2的磁道宽度方向两侧加有重放间隙长h的区域内，即，在由假想的引出辅助线14和15夹持的区域内，将纵向偏磁施加层1和磁阻效应膜2的自由层最短连线部分16的长度取为X，将纵向偏磁施加层1和上部磁屏蔽层4最短连线部分17的长度取为Y。这样，固定X，将Y作为变量，相对于Y/X，计算出自由层端部的磁场强度。将其示于图3。通常，为了抑制巴克豪森噪音，作为施加到上述磁阻效应膜2的自由层上的磁场强度，需要达到2000Oe左右。由图3，可以说，为了满足该磁场强度，Y/X至少需要在1以上。
以下利用附图说明本发明的实施例。
实施例1
作为本发明的实施例中的1例，图4示出了磁传感器传感部分的磁道宽度方向断面结构，图5示出了其制造方法，图6是图4中磁阻效应膜2的磁道两端部分的放大图。
在基板表面上被覆Al2O3等绝缘体膜，利用化学机械式研磨法(CMP)等实施精密研磨后，形成下部磁屏蔽层3。其形成是，例如由用喷溅法、离子束喷溅法、或电镀法制作的Ni-Fe系合金构成的膜，使用形成规定形状图案的防护掩模，实施离子研磨，再剥去防护掩模而形成。
在其上成长Al2O3，覆盖住用离子研磨除去的部分。在其上实施CMP。通过如此处理，基板表面形成下部磁屏蔽层3和Al2O3的平坦光滑面。进而，在与元件部分远离的部分上形成引出的电极膜(未图示)。例如，这是由Ta、Au、Ta构成的膜。
在该下部磁屏蔽层3上，例如用喷溅法或离子束喷溅法制作磁阻效应膜2(图5(a))。检测信号用电流(传感电流)在垂直于这些磁阻效应膜2的膜面方向(Current perpendicular to the plane：CPP)上流动。对这种磁阻效应膜2，采用使用TMR的形式进行了研究。
TMR膜，例如由以下层构成，即由含有Co-Fe系合金的强磁性体层构成的固定层9、由Al2O3构成的中间层8、和由含有Ni-Fe系合金和Co-Fe系合金等的层构成的自由层7。
接着，在磁阻效应膜2上，通过将在下层由聚二甲基戊二酰亚胺(以下称PMGI)11，在上层由防护层12构成的使用了光致抗蚀剂类的剥离用掩膜材料，用曝光装置曝光后，用显像液对其显像，得到规定形状的图案(图5(b))。之后，如图5(c)，将形成图案的PMGI10和防护层11作为掩模，相对于磁阻效应膜2，进行离子束蚀刻，反应性离子腐蚀(RIE)等干蚀刻，如图4(d)，可得到形成图案的磁阻效应膜2。
接着，例如用喷溅法或离子束喷溅法，依次成膜为以下各层(图4(e))，即，由例如Al2O3或SiO2等绝缘体构成的绝缘层5，由Co、Cr、Pt等磁性材料构成的纵向偏磁施加层1，和由Al2O3或SiO2等绝缘体构成的第二绝缘层6。
接着，利用有机溶剂等溶解掉由形成图案的PMGI11和防护层12形成的使用了光致抗蚀剂类的剥离用掩膜材料，同时除去在防护层12上形成的绝膜层5/纵向偏磁施加层1/第二绝缘层6，由此，在磁阻效应膜2的两端部分上，以用绝缘膜相隔的形式，可形成配置了纵向偏磁施加层1的结构(图5(f))。
之后，利用喷溅法或离子束喷溅法成膜非磁性层10(图5(g))。此时，作为非磁性层10，可使用非磁性金属材料。具体有NiCr、Ru等。
接着，例如利用喷溅法、离子束喷溅法，或电镀法，制作由NiFe构成的上部磁屏蔽层4(图5(h))。
图6中，将纵向偏磁施加层1和磁阻效应膜2的自由层7最短连线部分16的长度取为X，将纵向偏磁施加层1和上部磁屏蔽层4最短连线部分17的长度取为Y。此时，将由上部磁屏蔽层4和下部磁屏蔽层3夹持上述磁阻效应膜部分的间隔作为重放间隙长h时，在磁阻效应膜2和在磁阻效应膜2的磁道宽度方向两侧上加有重放间隙长h的区域内，隔离层13的最薄部分的厚度等于Y。
在上述区域内，使纵向偏磁施加层1和磁阻效应膜2的自由层7最短连线部分16的长度等于X，隔离层13的最薄部分厚度Y必须大。
在根据该实施例制作的磁传感器中，纵向偏磁施加层1和磁阻效应膜2的自由层7最短连线部分16的长度X为8nm，纵向偏磁施加层1和上部磁屏蔽层4最短连线部分17，即，在上述区域内的隔离层13最薄部分的厚度Y为16nm。
在如此制作的磁传感器中，100个中、95个没有见到发生巴克豪森噪音，可得到良好的磁传感器。与其相反，以图1所示现有的结构制作时，没有见到巴克豪森噪音发生的良好的磁传感器，100个中只有13个。由这些比较，可以断定本发明制作的磁传感器具有抑制巴克豪森噪音的效果。
测定所制作的磁传感器重放输出的稳定性。图7中示出了对于不同Y/X值的COD(Coefficient of Deviation)结果。此处的COD是表示重放输出的变动的指标，定义为100万次记录重放时，最大输出和最小输出之差用平均输出除的值。由该图7可判断，Y/X越大的COD小，可得到稳定性好的磁传感器。因为使用COD在10％以下的磁传感器，制作的磁记录重放装置的产品合格率达到95％，根据图7，在高记录密度下，Y/X最好在1.5以上。因为使用COD在8％以下的传感器时，制作的磁记录重放装置的产品合格率可达到98％，根据图7，Y/X更好在1.8以上。
隔离层13，虽然由第2绝缘层6和非磁性层10构成，但通过与纵向偏磁施加层1和上部磁屏蔽层4相接，因此由纵向偏磁施加层1和绝缘层5和下部磁屏蔽层3形成的电容器静电容量，在没有问题的情况下，即使省去第二绝缘层6，仍可获得同样的效果。
在磁阻效应膜2中，除了TMP膜外，还可使用GMR膜。此时，GMR膜由以下各层构成，即，例如由含有Co-Fe系合金的强磁性体层构成的固定层9、由Cu构成的中间层8、和由含有Ni-Fe系合金和Co-Fe系合金等层构成的自由层7。
实施例2
作为本发明的另一实施例，使由上部磁屏蔽层4和下部磁屏蔽层3夹持上述磁阻效应膜部分的间隔、重放间隙长做得更小的磁传感器，可获得如图8所示结构的ABS面。图9是其制造方法的示意图。
首先，用实施例1中所示的方法，在磁阻效应膜2的两端部分上，以介入绝缘膜的形式，形成配置了纵向偏磁施加层1的结构，利用喷溅法或离子束喷溅法形成非磁性膜层10(图9(a))。
接着，涂布防护层18，曝光后，用显像液对其显像，由此形成如图9(b)所示形状的图案。此后，将形成图案的防护层18作为掩模，对非磁性层10进行离子束腐蚀、反应性离子腐蚀(RIE)等干腐蚀，可得到如图9(c)所示形成图案的非磁性层10。
非磁性层10至少含有非磁性金属层，作为该非磁性金属层，可列举例如NiCr、Ru等。接着，例如用喷溅法、离子束喷溅法，或电镀法，制作由NiFe构成的上部磁屏蔽层4(图9(d))。
即使用以下所示2种方法中的任何一种方法，都可获得如图9(c)所示的形状，并能实现图8所示的结构。
一种方法是在磁阻效应膜2的两端部分上，以介入绝缘膜的形式，形成配置了纵向偏磁施加层1的结构后，即使用剥离法也能获得如图9(c)所示形成图案的非磁性层10。即，涂布由PMGI19和防护膜20构成的剥离材料，曝光后，用显像液对其显像，形成如图10所示形状的图案，用喷溅法或离子束喷溅法形成非磁性层膜10后，利用有机溶剂等，同时去除由PMGI19和防护膜20构成的剥离材料和其上形成的非磁性层膜10，可获得和图9(c)一样的形状。
另一种方法是在实施例1所示的方法中，在磁阻效应膜2的两端部分上，以介入绝缘膜的形式形成配置了纵向偏磁施加层1的结构时，利用喷溅法或离子束喷溅法，依次形成绝缘层5、纵向偏磁施加层1、第二绝缘层6后，再用喷溅法或离子束喷溅法形成非磁性层膜10，通过对其进行剥离，可得到和图9(c)同样形状。
隔离层13，虽然由第二绝缘层6和非磁性层10构成，即使用上述的任何一种方法，通过使纵向偏磁施加层1和上部磁屏蔽层4相接，由纵向偏磁施加层1和绝缘层5和下部磁屏蔽层3形成的电容器静电容量，在没有问题的情况下，也可省去第二绝缘层6。
隔离层13的厚度，将由上部磁屏蔽层4和下部磁屏蔽层3夹持上述磁阻效应膜部分的间隔作为重放间隙长h时，在磁阻效应膜2和在磁阻效应膜2的磁道宽度方向两侧加上重放间隙长h的区域内，规定隔离层13最薄部分的厚度等于Y。在该区域内，使纵向偏磁施加层1和磁阻效应膜2的自由层7最短连线部分16的长度等于X，隔离层13最薄部分的厚度Y必须大。
在根据该实施例制作的磁传感器中，纵向偏磁施加层1和磁阻效应膜2的自由层7最短连线部分16的长度X为8nm，纵向偏磁施加层1和上部磁屏蔽层4最短连线部分17，即上述区域内的隔离层13最薄部分的厚度Y做成14nm。
实施例3
将实施例2所示由上部磁屏蔽层4和下部磁屏蔽层3夹持上述磁阻效应膜部分的间隔，重放间隙长做得更小的磁传感器，仍能获得如图11所示的结构。图12是其制造方法的图示。
首先，用实施例1所示方法，在磁阻效应膜2的两端部分上，以介入绝缘膜的形式，形成配置了纵向偏磁施加层1的结构，利用喷溅法或离子束喷溅法形成非磁性层膜10(图12(a))。
接着，涂布保护层21，利用曝光装置对其曝光，或利用EB描绘装置对其照射EB后，在显像液中使其显像，形成如图12(b)所示形状的图案。之后，将形成图案的防护膜23作为掩模，对非磁性层10进行离子束腐蚀、反应性离子腐蚀(RIE)等干腐蚀，可获得如图12(c)所示的形成图案的非磁性层10。
接着，例如用喷溅法、离子束喷溅法、或电镀法，制作由Ni-Fe系合金构成的上部磁屏蔽层4(图12(d))。或者，在磁阻效应膜2的两端部分上，以介入绝缘膜的形式，形成配置了纵向偏磁层1的结构后，涂布使用了光致抗蚀剂类的剥离用掩膜材料，形成规定形状的图案后，利用喷溅法或离子束喷溅法形成非磁性层膜10，通过对其进行剥离，仍可获得形成如图12(c)所示形状图案的非磁性层10(图12(d))。
隔离层13，虽然由第二绝缘层6和非磁性层10构成，但用上述任何方法，使纵向偏磁施加层1和上部磁屏蔽层4相接，由纵向偏磁施加层1和绝缘层5和下部磁屏蔽层3形成的电容器静电容量，在没有问题的情况下，也可省去第二绝缘层6。此时，非磁性层10至少含有非磁性金属层，作为该非磁性金属层，可列举例如NiCr、Ru等。
隔离层13的厚度，将由上部磁屏蔽层4和下部磁屏蔽层3夹持上述磁阻效应膜部分的间隔取为重放间隙长h时，在磁阻效应膜2和在磁阻效应膜2的磁道宽度方向两侧加上重放间隙长h的区域内，规定隔离层13最薄部分的厚度等于Y。在该区域内，纵向偏磁施加层1和磁阻效应膜2的自由层7最短连线部分16的长度等于X，隔离层13最薄部分的厚度Y必须大。
在根据该实施例制作的磁传感器中，使纵向偏磁施加层1和磁阻效应膜2的自由层7最短连线部分16的长度X为8nm，纵向偏磁施加层1和上部磁屏蔽层4最短连线部分17，即，上述区域内隔离层13最薄部分的厚度Y做成13nm。
根据本发明，通过插入隔离层，来自纵向偏磁施加层的磁场不会被上部磁屏蔽层所吸收，而能施加到磁阻效应膜的自由层上，所以能实现达到高稳定性的磁传感器和磁记录装置。

Claims (13)

1.一种磁传感器，在具有由下部磁屏蔽层和上部磁屏蔽层形成的一对磁屏蔽，配置在上述一对磁屏蔽层之间的具有自由层、中间层和固定层的叠层结构的磁阻效应膜，和配置在上述磁阻效应膜的磁道宽度方向两端处的一对纵向偏磁施加层，将上述一对磁屏蔽层作为电极并使电流在上述磁阻效应膜的膜厚方向上流动的磁传感器中，其特征在于：在上述兼用作电极的上部磁屏蔽层和上述纵向偏磁施加层之间以及在上述兼用作电极的上部磁屏蔽层和自由层之间具有至少含有非磁性金属层的隔离层，上述纵向偏磁施加层和上述磁阻效应膜的自由层的最短距离比上述纵向偏磁施加层和上述上部磁屏蔽层的最短距离更短。
2.根据权利要求1记载的传感器，其特征在于：将由上部磁屏蔽层和下部磁屏蔽层夹持上述磁阻效应膜部分的间隔作为重放间隙长时，在上述磁阻效应膜和在上述磁阻效应膜的磁道宽度方向的两侧加上上述重放间隙长的区域内，上述纵向偏磁施加层和上述磁阻效应膜的自由层的最短距离比上述纵向偏磁施加层和上述上部磁屏蔽层的最短距离更短。
3、根据权利要求1记载的传感器，其特征在于：上述隔离层还含有绝缘层。
4.根据权利要求1记载的传感器，其特征在于：上述一对纵向偏磁施加层，通过绝缘层配置上述磁阻效应膜的磁道宽度方向的两端上。
5.根据权利要求1记载的传感器，其特征在于：将由上部磁屏蔽层和下部磁屏蔽层夹持上述磁阻效应膜部分的间隔作为重放间隙长时，在上述磁阻效应膜和在上述磁阻效应膜的磁道宽度方向的两侧加上上述重放间隙长的区域内，上述隔离层的厚度比上述纵向偏磁施加层和上述磁阻效应膜的自由层之间的绝缘层的最薄部分的厚度更厚。
6.根据权利要求1记载的传感器，其特征在于：上述纵向偏磁施加层和上述磁阻效应膜的自由层的磁道宽度方向上的最短距离，比与上述纵向偏磁施加层和上述上部磁屏蔽层的磁道宽度方向直交方向的最短距离更短。
7.根据权利要求1记载的磁传感器，其特征在于：上述纵向偏磁施加层和上述上部磁屏蔽层的最短距离是上述纵向偏磁施加层和上述磁阻效应膜的自由层的磁道宽度方向的最短距离的1.5倍以上。
8.根据权利要求1记载的磁传感器，其特征在于：上述纵向偏磁施加层和上述上部磁屏蔽层的最短距离是上述纵向偏磁施加层和上述磁阻效应膜的自由层的磁道宽度方向的最短距离的1.8倍以上。
9.根据权利要求1记载的磁传感器，其特征在于：上述磁阻效应膜的中间层是隧道壁垒层，构成上述隔离层的非磁性金属层的比电阻在200μΩ·cm以下。
10.根据权利要求9记载的磁传感器，其特征在于：上述非磁性金属层是由从Cr、Mo、Ta、Ti、Ni、Nb、W的组中选出的至少1种元素构成的金属所构成。
11.根据权利要求1记载的磁传感器，其特征在于：上述磁阻效应膜的中间层是导电层，构成上述隔离层的非磁性金属层的比电阻在100μΩ·cm以下。
12.根据权利要求11记载的磁传感器，其特征在于：上述非磁性金属层是由从Cr、Mo、Ta、Ti、Ni、Nb、Au、Cu、Ag、Al、Rh、W的组中选出的至少1种元素构成的金属所构成。
13.一种磁传感器的制造方法，在具有由下部磁屏蔽层和上部磁屏蔽层形成的一对磁屏蔽层，配置在上述一对磁屏蔽层之间的、具有自由层、中间层和固定层的叠层结构的磁阻效应膜，和通过绝缘层配置在上述磁阻效应膜的磁道宽度方向的两端部分的一对纵向偏磁施加层，将上述一对磁屏蔽层作为电极并使电流在上述磁阻效应膜的膜厚方向上流动，上述纵向偏磁施加层和上述磁阻效应膜的自由层的最短距离比上述纵向偏磁施加层和上述上部磁屏蔽层的最短距离更短的磁传感器制造方法中，其特征在于，具有以下工序：
在上述磁阻效应膜上形成使用了光致抗蚀剂类的剥离用掩膜材料，形成上述磁阻效应膜的工序，
在上述磁阻效应膜的两侧面上形成绝缘层和上述纵向偏磁施加层的工序，
在上述纵向偏磁施加层上和上述磁阻效应膜上形成含有非磁性金属层的隔离层的工序，
在上述隔离层上形成兼作电极的上部磁屏蔽层的工序。
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