CN101038747A - 一种磁阻磁头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

减小在传感器高度方向上的磁阻薄膜的结边缘处的刻蚀损坏的影响，此外降低上磁屏蔽层和下磁屏蔽层之间的介电击穿电压的损坏和源于屏蔽过程的再生性能的不稳定性，以及将CPP磁阻磁头中的静电容保持为小的值。在本发明的磁阻磁头中，钉扎层13的底表面的传感器高度方向上的长度长于第一铁磁层14的底表面的传感器高度方向上的长度，由钉扎层13的传感器高度方向上的边缘相对于从磁阻膜的底表面延伸的表面形成的角度小于由第二铁磁层16的传感器高度方向中的边缘相对于从磁阻膜的底表面延伸的表面形成的角度，以及传感器高度方向回填膜18的顶表面的高度等于或高于磁阻膜的顶表面。

Description

一种磁阻磁头及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种CPP(垂直于平面的电流)结构的磁阻磁头，用于允许感测电流流过磁阻膜的层叠表面。
背景技术
利用磁阻效应的磁阻传感器已知为优异的磁场传感器并实际用作磁头的读磁头，在该磁阻传感器中电阻根据外部磁场中的变化而变化，该读磁头是磁存储设备的主要部件。由于磁存储设备在尺寸的减小和更快速度传送方面不断地取得进展，磁头还需要用来读和写信息的更高性能。用于实现更高输出和更高传送率的措施可以被列入这种需要中的读磁头的首要目标。关于更高输出，已进行了磁阻膜的研制和改进。对于每1cm2约3×108位的记录密度，已使用各向异性的磁阻(AMR)膜。对于更高的记录密度，已经研制了用于获得更高输出的巨磁阻薄膜(GMR)。目前，已对这种GMR进行了进一步改进。但是，由于担心这种GMR对于高于每1cm29.3×109位的记录密度不能提供足够的输出，已对隧穿磁阻薄膜和CPP-GMR薄膜进行了研究和开发，允许电流流过感测薄膜的层叠表面，作为GMR薄膜的下一代磁阻层。
使用AMR薄膜和GMR薄膜的磁头在结构上显著地不同于使用隧穿磁阻薄膜和CPP-GMR膜的磁头。前者具有CIP(面内电流(CurrentInto the Plane))结构，其中感测电流在由AMR膜和GMR膜形成的磁阻膜的面内方向上流动。在该结构中，用于提供感测电流的电极被设置在该磁阻膜的两侧上。同时，后者具有CPP结构，其中几乎在与由隧穿磁阻膜和CPP-GMR膜形成的磁阻膜的平面垂直的方向中施加感测电流。因此，以在该磁阻膜上层叠这些电极的方式设置该用于提供感测电流的电极。
作为CPP结构磁头的特有主题之一，可以列出要求除去通过刻蚀淀积到用于检测外部磁场的磁阻膜的结点的侧壁的重淀积物的工序。通常，利用干刻蚀方法进行该刻蚀，特别地使用离子铣削方法。但是，在此情况下，进行第一刻蚀工序，用以通过以与衬底几乎垂直的角度照射离子束，刻蚀到差不多预定形状，此后，执行第二蚀刻工序，用于通过以较浅的角度照射离子束，来除去淀积到在结点的传感器高度方向上的边缘的重淀积物。在该工序中，由于在第二刻蚀工序中，离子束以接近相当垂直于结点侧壁的角度入射，必须对比不需要第二蚀刻工序的CIP结构的更多的由刻蚀工序所引起的损坏进行一定考虑。而且，在CPP结构磁头中也出现一个问题，其中当进行第二刻蚀工序时，传感器高度方向上的边缘容易变得更陡峭，由此在上磁屏蔽层的底表面中产生台阶，以及这种台阶将引起上磁屏蔽层和下磁屏蔽层之间的介电击穿电压的损坏和源于磁屏蔽层的读性能的不稳定性。
用于更高传送率的措施将成为CPP结构所特有的问题，因为CIP结构磁头和CPP结构磁头用于提供感测电流的电极布置不同，用于CIP结构磁头和CPP结构磁头的措施也是不同的。在CPP结构磁头中，由于利用以在磁阻膜上层叠的方式设置的上电极层(在某些情况下也使用上磁屏蔽层)和下电极层(在某些情况下也使用下磁屏蔽层)产生静电容C，用于根据需要控制这些电极层不变得更靠近的工序和用于控制这些电极层的在传感器高度方向上的结构的工序都是必需的，控制这些电极层的在传感器高度方向上的结构为了具有良好成品率的再生。
关于在传感器高度方向上的CPP结构磁头的形状，JP2002-299726A和JP2003-298143A公开了以在CPP-GMR传感器中逐渐弯曲的形状形成结边缘。而且，JP2003-204096A和JP2004-118978A公开了在TMR传感器中钉扎层的顶表面是平坦的，以及还公开了在钉扎层上面的上层和钉扎层下面的下层的边缘上形成具有两个直锥形的台阶结边缘。
[专利文献1]JP2002-299726A
[专利文献2]JP2003-298143A
[专利文献3]JP2003-204096A
[专利文献4]JP2004-118978A
发明内容
本发明解决的问题
专利文献JP2002-299726A和JP2003-298143A公开了一种在传感器高度方向上逐渐弯曲的结边缘的形状，但是没有公开磁阻膜的具体结构，以致任一层的边缘可能具有陡峭的锥形，以及不显然任一层的边缘应该具有平缓锥形。在专利文献2000-204096A中，以包括钉扎层的顶表面的台阶形状，形成在传感器高度方向上的TMR传感器的结边缘。但是，不考虑静电容的减小，上磁屏蔽层和下磁屏蔽层之间的绝缘体薄膜也以台阶的形状形成。专利文献JP2004-118978A类似于JP2003-204096A。这些的不同点在于钉扎层在传感器的高度方向上比自由层更长，但是钉扎层边缘的形状不明显。而且，用于产生静电容的电极由上磁屏蔽层和钉扎层形成，这些层之间的距离短于上磁屏蔽层和下磁屏蔽层。由此，可以说对于静电容的减小不采取任何考虑。此外，相关技术的四个专利文献没有提到由形成传感器高度方向的刻蚀工序在结边缘处产生的刻蚀损坏。
本发明的目的是提供一种磁阻磁头及该磁阻磁头的制造方法，通过抑制或消除在形成CPP磁头的传感器高度时产生的在磁阻膜的结边缘处的刻蚀损坏，此外通过抑制由除去结边缘上的重淀积引起的上磁屏蔽层和下磁屏蔽层之间的介电击穿电压的损坏，以及通过抑制源于磁屏蔽层的再生性能的不稳定性，此外通过抑制静电容的过量增加，该磁阻磁头显示出稳定的再生性能和优异的高频性能。
解决问题的方法
利用一种磁阻磁头可以实现上面所述的目的，该磁阻磁头包括下磁屏蔽层、具有钉扎层的磁阻膜、第一铁磁层、中间层以及在下磁屏蔽层上形成的第二铁磁层、分配在磁阻膜的传感器高度方向上的传感器高度方向回填膜以及在所述磁阻膜和所述传感器高度方向回填膜上形成的上屏蔽层，其中感测电流施加到第一铁磁层和中间层之间的界面和中间层和第二铁磁层之间的界面，其中该钉扎层的底表面处的传感器高度方向的长度长于第一铁磁层的底表面处的传感器高度方向的长度，由在传感器高度方向上的钉扎层边缘相对于从磁阻膜的底表面延伸的表面形成的角度，小于由在传感器高度方向上的第二铁磁层的边缘相对于从磁阻膜的底表面延伸的表面形成的角度，以及传感器高度方向回填膜的顶表面的高度等于或高于磁阻膜的顶表面。
这里，由第一铁磁层的传感器高度方向上的边缘相对于从磁阻膜的底表面延伸的表面形成的角度可以小于由第二铁磁层的传感器高度方向上的边缘相对于从磁阻膜的底表面延伸的表面形成的角度，以及可以大于由钉扎层的传感器高度方向上的边缘相对于磁阻膜的底表面延伸的表面形成的角度。
此外，通过在第二铁磁层的顶表面和中间层的底表面之间的传感器高度方向上形成间断的结边缘，也可以设置最大限度没有任何刻蚀损坏的磁阻磁头，典型地恰好设置在第二铁磁层和中间层之间的界面处。此外，通过在中间层的顶表面和第一铁磁层的底表面之间的传感器高度方向上形成间断的结边缘，典型地恰好在中间层和第一铁磁层之间的界面处形成该间断的结边缘，甚至也可以抑制刻蚀损坏。
此外，通过形成第一铁磁层作为多层结构以及在铁磁层的传感器高度边缘上设置平均锥角，难以受到刻蚀损坏的影响，该多层结构中经由非磁性金属隔片层叠至少两个或更多铁磁层，该铁磁层与钉扎层接触并由第一铁磁层构成，并且紧靠从磁阻膜的底表面延伸的表面，该平均锥角小于由第二铁磁层边缘相对于从磁阻膜的底表面延伸的表面形成的平均角，以及大于由钉扎层边缘相对于从磁阻膜的底表面延伸的表面形成的平均角。
本发明的效果
根据本发明，可以实现显示出小的再生性能损坏、提供更高输出和优异的稳定性以及保证优异的高频性能的磁阻磁头，因为在传感器高度方向上的在磁阻膜的结边缘处的刻蚀损坏的影响可以被减小和抑制，此外上磁屏蔽层和下磁屏蔽层之间的介电击穿电压的损坏和源于磁屏蔽层的再生性能的不稳定性也可以被抑制，以及也可以保持小的静电容。
附图说明
图1A示出了本发明的CPP磁阻磁头的磁性传感器的传感器高度方向上的截面结构图。
图1B示出了本发明的CPP磁阻磁头的磁性传感器的磁道方向上的示意图。
图2示出了现有技术的CPP磁阻磁头的磁性传感器的传感器高度方向上的截面示意图。
图3示出了本发明的CPP磁阻磁头的磁性传感器的传感器高度方向上的截面示意图。
图4示出了本发明的CPP磁阻磁头的磁性传感器的传感器高度方向上的截面结构图。
图5示出了本发明的CPP磁阻磁头的磁性传感器的传感器高度方向上的截面结构图。
图6示出了本发明的CPP磁阻磁头的磁性传感器的传感器高度方向上的截面结构图。
图7示出了本发明的CPP磁阻磁头的磁性传感器的传感器高度方向上的截面结构图。
图8示出了本发明的CPP磁阻磁头的磁性传感器的传感器高度方向上的截面结构图。
图9示出了磁存储设备的示意图。
图10示出了PtMn抗铁磁薄膜的刻蚀损坏现象的视图。
图11示出了PtMn抗铁磁薄膜的另一刻蚀损坏现象的视图。
图12是用于说明取决于磁阻薄膜的结构的传感器性能差异的视图。
图13是用于说明取决于磁阻薄膜结构的另一传感器性能中的差异的视图。
图14示出了本发明的CCP磁阻磁头的制造方法的示意图。
图15示出了本发明的CPP磁阻磁头的另一制造方法的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图说明本发明的实施例的概述。
在磁阻磁头中，通过利用刻蚀工序将磁阻膜加工为预定尺寸和形状，形成用于响应外部磁场而产生电信号的磁传感器区域。此外，该磁性传感器常常被要求显示出线性响应，因此第一铁磁层和第二铁磁层的磁化方向常常被设置为几乎垂直以实现这种需要。此外，作为用于实现这种设置的装置，第一铁磁层和层叠在其上的钉扎层磁性耦合。如上所述，由于钉扎层在磁阻磁头中起到非常重要的作用，通过刻蚀工序造成的损坏对磁头性能造成非常大的影响。因此，刻蚀工序在钉扎层上造成的损坏已经被调查。
实验的结果，在该实验中使用PtMn抗铁磁薄膜作为钉扎层的材料作为例子，使用离子铣削方法作为刻蚀方法，如下所示。图10示出了通过荧光X射线分析方法调查当刻蚀工序中的刻蚀深度变化时厚度为25nm的PtMn薄膜的成分变化的结果。该垂直轴表示Pt含量，以及对于普通的采样表面离子束的入射角是1°以及离子束的加速电压是425V来作为刻蚀条件。该PtMn抗铁磁体显示，当它被刻蚀时，因为Mn优先被刻蚀，Pt的数量增加。性能中的最终改变是与铁磁体的交换耦合场的下降。即使在刻蚀工序之前PtMn的成分保证最大交换耦合场的情况下，在约3nm的刻蚀之后，当Pt增加两个(2)原子百分数(at.％)时，交换耦合场也被降低到最大值的75％。此外，当在约10nm的刻蚀之后，当Pt增加五个(5)原子百分数(at.％)时，交换耦合场被损坏到最大值的25％。这里，通过用荧光X射线分析方法测量的值来表示该成分，因此在其厚度方向上成分值是平均的。实际上，Pt含量增加，也就是随着交换耦合场进入接近蚀刻表面的区域，在该交换耦合场中的损坏变得不同。
由于成分取决于刻蚀工序而变化的现象源于取决于元素的溅射率中的差值，因此它不是PtMn抗铁磁薄膜特有的，它通常发生在包括两个或以上种类的元素的材料中。此外，它不仅发生在抗铁磁薄膜中，而且发生在硬磁薄膜中，例如，诸如CoPt系统合金和CoCrPt系统合金中。
在图11中，获得刻蚀膜表面的深度方向上的PtMn的晶格常数，以及针对从刻蚀膜表面的深度方向绘制晶格常数比率a/c，对于在蚀刻之前厚度为25nm的PtMn膜的样品，其在这样的条件下进行蚀刻：离子束的入射角相对于样品表面的法线是1°，以及离子束的加速电压是425V。鉴于提高实验的精确度，使用同步加速器辐射作为X射线源。此外，对于垂直轴的晶格常数比率a/c，由于PtMn中的抗铁磁体具有体心四方晶格以及顺磁体具有面心立方晶格，具有更大a/c值的抗铁磁体显示出更优异的性能。从上面所说的观点，从图11可以认为在接近刻蚀面的区域的a/c值变得小，表明抗铁磁体的性能退化。
由于刻蚀工序的而导致的a/c值减小的原因可以被认为存在于在这样的工序中：已经形成有序体心四方晶格的元素利用具有动能的离子束驱动以形成无序面心立方晶格。如上所述，可以明白，由于刻蚀而导致了晶体结构变化以及由此这种变化导致性能退化。PtMn抗铁磁体的结果被解释为作为一个例子，但是在Mn-Ir系合金中也产生类似的现象，这被认为是利用诸如Mn3Ir的有序晶格提高其抗铁磁性能，该类似现象也产生在显示出抗铁磁体性能的包括其他有序晶格的合金中。此外，在诸如CoPt系合金和CoCrPt系合金的硬磁薄膜中，在刻蚀工序之前主要观察到六方晶格，但是在刻蚀工序之后，面心立方晶格的部分增加，表明硬磁性能的退化。
这里离子铣削方法被认为是一个例子，但是即使在反应离子束刻蚀中也将产生类似的现象。在磁体的情况下，由于不能获得更低升华温度的反应产物，主要应该考虑物理刻蚀而不是化学刻蚀，即使当已经进行反应离子束刻蚀时。即，主要使用类似离子铣削的刻蚀机制。
接下来，在由厚度为1μm的Ni-Fe系合金薄膜形成的下电极上形成所谓的底部型旋-阀薄膜和所谓的顶部型旋-阀薄膜，在底部型旋-阀薄膜处，抗铁磁体薄膜位于更接近衬底侧面的区域处，在顶部型旋-阀薄膜处，抗铁磁体薄膜位于远离衬底的区域处，以及用相同的工艺制造具有各种尺寸的CPP传感器，用于性能的比较。已经使用15nm厚度的PtMn抗铁磁体膜作为钉扎层和使用3nm厚度的Co75Fe25膜作为在其上层叠的第一铁磁层，来制造具有600、300、160、120、80和50nm的侧面的正方形CPP传感器。这里，在利用与刻蚀膜表面的法线成10°的入射角的离子束进行第一刻蚀之后，通过将离子束入射角设置为70°来进行刻蚀等于利用10°的入射角的刻蚀时间的1.25倍的时间，以便除去粘附到结侧壁的重淀积物。
图12是显示钉扎层和第一铁磁薄膜之间的交换耦合场Hp与器件尺寸的依存关系的视图。这里，垂直轴表示利用具有600nm尺寸的器件的Hp值标准化的值。底部型和顶部型之间的比较指示，底部型具有小器件尺寸，由该小器件尺寸Hp开始变小，同时标准化的Hp值也变大。因此，可以理解底部型中的Hp的损坏是相当小的。
图13是显示在电压是20mV和最大施加磁场是3kOe条件下测量的CPP传感器的MR比率与器件尺寸的依存关系的视图。与图12一样，利用具有600nm侧面的器件的MR比率值来标准化该值。关于MR比率，在底部型中MR比率由此开始降低的器件尺寸小于顶部型，以及标准化的MR较大。作为MR比率减小的原因，Hp损坏的影响可以被认为是较大的。
底部型和顶部型的结构中的大差异是钉扎层是设置在衬底附近或远离衬底设置，由此也产生刻蚀工序过程中对于钉扎层的离子照射时间的差异。在底部型中，不从刻蚀的最初阶段照射离子来去除第一铁磁层，因为钉扎层被设置在衬底附近。但是，在顶部型的情况下，几乎对于刻蚀时间的全部部分都持续进行离子照射。这些不同呈现作为钉扎层的成分和结构的变化的差异，如使用图10和图11说明的，由此认为在Hp的性能和MR比率中已经产生差异。
从上面说明的结果，可以理解，为了控制刻蚀损坏，最好使用底部型磁阻薄膜。
下面将参考附图说明本发明的优选实施例。
[第一实施例]
图1A示出了本发明的磁阻磁头的磁性传感器的传感器高度方向上的截面结构。作为参考，图1B示出了在空气支承面处的磁道方向上的结构。此外，图14是示出了形成传感器高度方向的工艺的示意图。
如图14(A)所示，由包括矾土和碳化钛的陶瓷形成的衬底101覆有诸如矾土的绝缘膜102，其表面用精细抛光进行平整。此后，形成由Ni-Fe系合金形成的下磁屏蔽层11。在该工序中，例如通过溅射方法、离子束溅射方法或电镀法形成的薄膜形成图案为预定形状，此后对衬底的整个表面形成矾土的绝缘膜，以及该表面用化学机械抛光(CMP)方法进行平整，以便该表面的高度几乎等于在其外围中设置的绝缘膜的高度。在此情况下，下磁屏蔽层11的表面粗糙度被控制为小于预定的粗糙度。
在淀积设备内清洗其上的表面氧化物层或其上的等等之后，从衬底侧面依次层叠下间隙层12、钉扎层13、第一铁磁层14、中间层15、第二铁磁层16以及第一上间隙层171，以形成磁阻膜，从而形成传感器区域。
这里，对于下间隙层12和第一间隙层171，使用Ta、Ru、Ni-Cr-Fe系合金或这些元素的层叠膜。对于钉扎层13，使用诸如Pt-Mn系合金和Mn-Ir系合金的抗铁磁膜以及诸如Co-Pt系合金和Co-Cr-Pt系合金的硬磁膜。此外，对于第一铁磁层14和第二铁磁层16，可以使用Ni-Fe系合金、Co-Fe系合金、Co-Ni-Fe系合金以及诸如磁铁、霍斯勒(Heusler)合金的高极化材料以及这些材料的层叠膜。此外，也可以使用经由10或以下的隔片来层叠铁磁层的多层膜。当使用TMR效果时，中间层15是隧穿壁垒。更具体地，它是包括诸如Al、Mg、Si、Zr和Ti的至少一种元素的氧化物或这些元素的复合氧化物或这些氧化物的叠层。此外，当使用CPP-GMR效果时，它是导电层或包括限流路径的导电层。更具体地，Al、Cu、Ag、Au或这些元素的混合物和这些元素的层叠体，而且，用于通过这些元素的部分的部分氧化和氮化来限流的层。
在如上所述形成下间隙层、磁阻膜和第一上间隙层之后，在磁场中执行退火或磁化，用于将第一铁磁层14的磁化设置为特定的方向。特别地，当钉扎层13由具有有序晶格的抗铁磁材料例如Pt-Mn系合金或Mn-Ir系合金形成时，构成有序结构，并需要在磁场中退火，直到产生与第一铁磁层的交换耦合。
接下来，如图14(B)所示，在传感器高度方向上对变为感测区的区域形成剥离掩膜50，以及利用刻蚀工序除去不需要的区域的磁阻膜。在此情况下，在从20至45°的入射角θ1中进行第一刻蚀，直到使用由下层抗蚀剂510和上层抗蚀剂502形成的双层抗蚀剂来刻蚀第二铁磁层16，下层抗蚀剂510在传感器高度方向上的长度较短，上层抗蚀剂502在传感器高度方向上的长度较长。箭头标记60表示刻蚀原子的入射方向。此后，如图14(C)所示，用小于第一刻蚀的入射角θ2进行第二刻蚀直到下间隙层12。而且，如图14(D)所示，以大于第二刻蚀的入射角进行第三刻蚀，以除去在传感器高度方向上粘附到侧壁的重淀积物61。
利用上面说明的刻蚀，利用第二铁磁层16来规定磁性传感器的传感器高度方向上的长度。在大于中间层的衬底侧面中，钉扎层的底表面的传感器高度方向上的长度长于第一铁磁层的底表面的传感器高度方向上的长度，以及由钉扎层的边缘至从下间隙层12的底表面延伸的表面形成的平均角(例如，在钉扎层的薄膜厚度方向上的中间位置处测量的角度)小于由第二铁磁层的边缘至从下间隙层12的底表面延伸的表面形成的平均角。在该形状中，在刻蚀工序中用离子照射损坏的区域包括渐近的锥形，因此恰好在第一铁磁层下面的区域在传感器高度方向上的边缘处不包括锥形，以及与钉扎层和第一铁磁层在传感器高度方向上几乎相等的情况相比，这种区域相对变小。由此，可以说该结构对于刻蚀损坏是相当耐用的。
接下来，如图14(E)所示，利用溅射方法、离子束溅射方法或化学气相淀积(CVD)方法，形成传感器高度方向回填膜18。如上所述，在磁阻膜的衬底侧面的传感器高度边缘上形成锥形可以防止在传感器高度方向回填膜18的表面上产生台阶，传感器高度方向回填膜18在传感器高度刻蚀工序之后被淀积。对于传感器高度方向回填膜18，可以使用单层薄膜、复合薄膜、以及诸如矾土、氧化硅、氧化钽、氮化铝、氮化硅以及氮化钽的层叠膜。在层叠膜的情况下，通过分配上面所述的氧化膜和氮化物膜作为底层，可以在接近上磁屏蔽层的顶层中使用金属膜。但是，在此情况下，从减小由下磁屏蔽层和上磁屏蔽层形成的静电容的观点，优选至少氧化物或氮化物膜的底层的薄膜厚度比金属膜的顶层更厚。在用上面所述的方法形成传感器高度方向回填膜18之后，剥离掩模被除去。此后，如有必要形成第二上间隙层172，以便形成上磁屏蔽层21。
图15示出了本发明的CCP结构的磁阻磁头的另一制造方法的示意性工艺视图。图15(A)和15(E)对应于图14(A)和14(E)。在图14的制造工序中，已经说明了一个例子，其中使用双层掩模作为传感器高度方向上的剥离掩模。但是，如图15(B)所示，也可以在刻蚀到达第二铁磁层16之后除去掩模50，此后形成用于刻蚀到下间隙层12的掩模51，如图15(C)所示。该刻蚀工序中的刻蚀原子的入射角在图15(B)中优选被设为从0至30°，而在图15(C)中被设为从10至45°。
在图1A中，传感器高度方向上的长度H是第二铁磁层16和第一上间隙层171的高度，以及将认为这些层的传感器高度方向上的长度低于第二铁磁层16下面的中间层15。传感器高度H是影响第二铁磁层16对于外部磁场的灵敏度的参数，以及也是可以利用磁道宽度决定的设计参数，因为它影响再生性能的稳定性。同时，在传感器高度方向上较长的长度(H+L)更需要，因为要求第一铁磁层14具有优异的热稳定性。但是，当第一铁磁材料14的长度H+L变得更长时，中间层15和第二铁磁层16之间的高度差L变得更长。因此，传感器高度方向回填膜18变得更薄的区域也变得更长，导致高频响应中的损坏。由此，值L是由磁存储设备的数据传送速率的规格决定的参数。
参数L的最短长度取决于制造方法。在图14所示的制造方法中，在由下层抗蚀剂510和上层抗蚀剂502构成的双层抗蚀剂的涂覆和曝光之后，仅仅用湿法工序或干法工序使下层抗蚀剂501凹进，由此它变得短于上层抗蚀剂502。但是，在此情况下，利用下层抗蚀剂501的刻蚀精确度，最短长度L被确定为约20nm。同时，在图15所示的制造方法中，利用剥离掩模50和第二剥离掩模51的位置精确度，最短长度L被决定为约9nm。
而且，可以用离子束刻蚀法和反应离子束刻蚀法进行磁阻膜的刻蚀。在该方法中，恰好在去除第二铁磁层16之后改变蚀刻条件的方法，可是是基于每个层的蚀刻速率的蚀刻控制。在刻蚀工序过程中，通过用二次离子质谱分析法或等离子发射谱来监控刻蚀的元素，也可以实现较高精确度的控制。
在传感器高度方向上的形成完成之后，在变为用于磁道宽度方向的感测区的区域中形成剥离掩模，以及通过刻蚀工序除去除用于检测磁场的感测区以外的区域的磁阻膜。在此情况下，与传感器高度方向的情况一样，使留在磁阻膜边缘上的重淀积物的数量最小化是非常重要的。此后，形成由单层膜、复合膜或层叠膜形成的绝缘膜，诸如矾土、氧化硅、氧化钽、氮化铝、氮化硅和氮化钽，以及在该绝缘膜上形成用于对第二铁磁层16施加纵向偏置磁场的硬磁膜。通过除去剥离掩模完成在磁道宽度方向中的处理。在此情况下，为了控制性能特别是硬磁膜的矫顽力，也可以设置底层薄膜。而且，为了在该工序过程中保护的目的，也可以提供封盖层。
接下来，形成引线以提供感测电流到下磁屏蔽层11和上磁屏蔽层21。作为引线的材料，使用低阻金属如Cu、Au、Ta、Rh、Mo等等，根据需要也可以在这种引线的下侧、上侧或两侧形成其他金属层。
在根据需要形成绝缘保护膜之后，对诸如磁阻薄膜和引线的顶表面进行清洗。此后，形成也用作上磁屏蔽层21的下层的第二上间隙层172和上磁屏蔽层21。由此，完成读磁头的工序。
图2是通过蚀刻磁阻膜来形成在传感器高度方向上的感测区域时其被几乎垂直地刻蚀而不提供在本发明中的锥形的在传感器高度方向上的感侧区域的剖面结构的示意图。在此情况下，如图所示，因为由于抗蚀剂掩模的阴影效应，在传感器高度方向回填膜18的覆盖度差和好的区域之间的边界处发生台阶。结果，该台阶也被转移到上磁屏蔽层21。另一方面，如图3所示，当因为抗蚀剂掩模的阴影对回填膜18的覆盖度差的区域形成锥形时，利用形成的锥形，传感器高度方向回填膜18的上表面在较高的位置。由此，在传感器高度方向回填膜18的上表面不形成台阶。结果，在上磁屏蔽层21上不再产生台阶。
经由读磁头和写磁头之间的分离层，在其上形成用于写入的感应磁头。但是，这里省略了该形成工序的细节。在形成感应磁头之后，当在磁道宽度方向上将500Oe的磁场施加到该读磁头的同时，在250℃下执行退火三个小时。在第二铁磁层16的磁化方向几乎保持在传感器高度方向的条件下，第一铁磁层19的磁化方向指向磁道宽度方向。由此，完成晶片处理。
而且，通过用于利用机械研磨来研磨磁头直到得到预定传感器高度的滑动器工序、用于保护磁存储设备内的读磁头和写磁头的保护薄膜淀积工序、用于对空气支承面形成预定形状的轨道以控制磁头和磁盘之间的间隔的工序以及用于将单个磁头联结到悬架的装配工序，完成磁头万向架组件。
为了比较的目的，通过也制造一个磁头来评估再生性能，在该磁头中，在磁阻膜的传感器高度方向上的长度几乎等于自由层(第二铁磁层16)的长度，以及几乎垂直于衬底表面地进行刻蚀而不提供锥形。除传感器高度方向上的形状以外，本发明的磁头和用于比较的磁头具有类似的结构。使用CPP-GMR膜作为磁阻膜，在CPP-GMR膜处限流路径层被插入中间层中，上磁屏蔽层和下磁屏蔽层之间的距离被设为50nm，剩余磁感应强度Br和作为纵向偏置层的硬磁层的薄膜厚度t的乘积Br·t是饱和磁感应密度Bs和自由层的薄膜厚度的乘积Bs·t的8倍，磁道宽度是60nm，以及传感器高度是70nm。表1通过关注在120mV的操作电压下的输出Vpp和通过对1000个磁头重复写电流的ON和OFF观察到的振幅波动dVpp，示出了比较结果。这里，当最大输出被指定为Vmax，最小输出指定为Vmin以及平均值被指定为Vave时，振幅波动dVpp被定义为Vpp＝(Vmax-Vmin)/Vave×100(％)。在该表中，提供0.6mV或更高的输出Vpp以及15％或更少的振幅波动dVpp的磁头被定义为合格品。
                         表1
 输出Vpp中的合格品比率   振幅波动dVpp中的合格品比率
  本发明中的磁头  91％   95％
  比较例子(现有技术的磁头)  68％   75％
本发明中的磁头的输出和振幅波动中的合格品比率分别是91％和95％，但是比较例子的磁头的输出和振幅波动中的合格品比率分别降低至68％和75％。为了调查输出中的合格品比率产生差异的原因，在±10kOe中进行转移曲线测量。结果，在比较例子中观察到第一铁磁层和钉扎层(PtMn抗铁磁体层)之间的交换耦合场的损坏，但是在本发明的磁头中几乎不能观察到交换耦合场的损坏。
振幅波动假定为由以下原因产生，原因(i)经由磁道方向回填膜38从在第二铁磁层16的两侧中设置的纵向偏置层39作用在第二铁磁层16上的纵向偏磁场小于图1B中的预定值，图1B是沿磁道方向的视图，或原因(ii)，因为在下磁屏蔽层11上或上磁屏蔽层21上产生畴壁，以及当这种畴壁移动时将干扰正常操作的磁场被施加到第二铁磁层16，第二铁磁层16的磁化变得不稳定。为了区分这种原因，在磁道宽度方向上施加30Oe磁场的同时进行测量。当符合原因(i)时，在低到约30Oe的磁场中纵向偏置场的效果是大的，以及不能实现任何改进，但是当符合原因(ii)时，可以期望抑止振幅波动，因为可以利用30Oe的磁场，通过在磁道宽度方向中进行磁屏蔽层的饱和磁化来消除畴壁。作为实验的结果，比较例子的磁头中的合格品比率已经恢复到92％。
由该结果，可以假定，对于比较例子中的磁头，在传感器高度方向中的上磁屏蔽层中存在大的台阶，如图2所示，以及该台阶导致畴壁的产生。同时，也可以假定，对于本发明的磁头，在其上磁屏蔽层上不存在这么多台阶，如图3所示，因此不产生畴壁。而且，比较例子和本发明中的磁头的下磁屏蔽层11和上磁屏蔽层21或传感器膜(下间隙层12、钉扎层13、第一铁磁膜14、中间层15、第二铁磁层16以及第一上间隙层171)之间的距离被比较。在比较例子的磁头中，在上磁屏蔽层21的台阶拐角处，上磁屏蔽层21和下磁屏蔽层11或传感器膜之间的距离被局部缩短，而在本发明的磁头中，因为不产生台阶，其磁头的上磁屏蔽层和下磁屏蔽层或传感器膜之间的最短距离长于比较例子中的磁头的最短距离。由此，后一磁头的静电容C小于前一磁头。
如上所述，很显然，利用本发明可以制造表现出再生性能的较少损坏和保证更高输出、优异的稳定性以及优异的高频响应的磁阻磁头。
[第二实施例]
为了获得较高的再生分辩率，下磁屏蔽层11和上磁屏蔽层21之间的距离必须被缩短，由此静电容增加。在图4中，示出了解决上述问题的本发明的磁阻磁头的磁性传感器在传感器高度方向上的截面结构。
在第一实施例中，在磁阻膜的传感器高度方向中的边缘的渐近锥形在下间隙层12处停止，以及下磁屏蔽层11的上表面是平坦的。因此，如果上下磁屏蔽层之间的距离被减窄，同时照原样保持该形状，那么静电容增加。由此，在该实施例中，经由下磁屏蔽层11的刻蚀，通过在空气支承面的相对侧中沿传感器高度方向拓宽较高位置处的上下磁屏蔽层之间的距离，抑止静电容的增加，同时在下间隙层12处停止的渐近锥形保持原样。即，在该实施例的磁阻磁头中，在沿磁阻膜的传感器高度方向的较高位置处，下磁屏蔽层11和上磁屏蔽层21之间的距离大于在空气支承面处的下磁屏蔽层11和上磁屏蔽层21之间的距离。
[第三实施例]
为了获得更高的磁道密度，在磁道方向中的侧读必须被减小。作为用于实现该目的的方法，已经提出了其中在磁道方向中的磁性传感器的两侧分配侧屏蔽的方法。在此情况下，需要引入所谓的层叠式偏置结构，其中在磁阻膜的上或下侧中层叠纵向偏置层。
图5示出了本发明的磁阻磁头的磁性传感器的传感器高度方向上的截面结构，其适合于层叠式偏置结构。在该基本的层叠式偏置结构中，需要用于钉扎第一铁磁层的磁化的第一钉扎层和用于在磁道方向中钉扎纵向偏置层24的磁化的第二钉扎层，该纵向偏置层24被设置以施加纵向偏移场到第二铁磁层，但是前者需要更大的交换耦合场值。因此，在该实施例中，第一钉扎层13被分配到衬底的侧面，此处预期更少的由刻蚀而导致的损坏，以及第二钉扎层23被分配给远离衬底的区域，第二钉扎层23保证通过刻蚀而导致的退化有较宽余量。
在该层叠式偏置结构中，也可以设置用于控制耦合场25的层，为了控制第二铁磁层16和纵向偏置层24之间的交换耦合和静磁耦合的振幅和方向。
[第四实施例]
图6示出了本发明的另一磁阻磁头的磁性传感器在传感器高度方向上的截面结构。用于除传感器高度方向上的磁阻膜以外的区域的制造方法类似于第一实施例。因此，将仅仅说明在传感器高度方向上的结构。
在第一实施例中，提供了该结构，其中仅仅在第一铁磁层14的边缘存在受刻蚀损坏影响的区域，因为当除感测区以外的区域的第二铁磁层16被刻蚀时，第一刻蚀被停止。当中间层15的刻蚀速率低于第二铁磁层16的刻蚀速率时，例如，在隧穿壁垒用于该隧穿磁阻膜的情况下，可以相当容易地实现这种结构。但是，当这两种刻蚀速率相等或当中间层15的刻蚀速率相当高时，具有好的再生性的制造变得困难。
在上面的情况中，当中间层15被刻蚀和从图6所示的第一铁磁层14开始第二刻蚀时，第一刻蚀被停止。在此情况下，第一铁磁层14的顶表面的传感器高度方向上的长度长于中间层15和第一铁磁层14的界面的传感器高度方向上的长度，以及这两个层不连续地形成在传感器高度方向上的边缘处。在该结构中，即使当在除第一铁磁层14和中间层15之间的界面以外的区域中的物理薄膜厚度不变化时，在接近薄膜表面的区域也可能产生磁性损坏，但是假定在交换耦合性能中不产生任何损坏，因为刻蚀损坏不延伸到第一铁磁层14和钉扎层13之间的界面。而且，由于利用第二铁磁层16和中间层15规定用作磁回读信号的区域，以及与上述区域相比，磁性地受利用刻蚀工序的刻蚀损坏影响的该区域沿传感器高度方向位于较高位置处，对性能的影响可以被认为相当小。由此，磁头性能在输出中不显现出任何减小，因此可以获得显现出优异稳定性的再生性能。
作为该结构中的钉扎层13，可以使用诸如Pt-Mn系合金和Mn-Ir系合金的抗铁磁膜、诸如Co-Pt系合金和Co-Cr-Pt系合金的硬磁膜。作为第一铁磁层14和第二铁磁层16，可以使用Ni-Fe系合金、Co-Fe系合金、Co-Ni-Fe系合金以及诸如磁铁、霍斯勒(Heusler)合金的高极化材料以及这些元素的层叠膜，此外也可以使用经由10或以下的隔片层叠铁磁层的多层薄膜。此外，即使当与第二实施例的情况一样采用该锥形延伸到下磁屏蔽层11的结构时和当与第三实施例一样使用层叠式偏置结构作为磁阻膜时，本发明的效果也决不改变。
[第五实施例]
图7示出了本发明的另一磁阻磁头在传感器高度方向上的磁性传感器的截面结构。在该实施例中，第一铁磁层形成为三-层薄膜，其中有在钉扎层13的侧面中的第三铁磁性薄膜141、隔片142和中间层15的侧面中的第四铁磁性薄膜143。
当第四铁磁性薄膜143或隔片142被刻蚀时，第一刻蚀被停止，以及第三铁磁性薄膜141的物理薄膜厚度不被减小。与钉扎层13接触的第一铁磁层中的第三铁磁层141的底表面在传感器高度方向上的长度等于该钉扎层的顶表面在传感器高度方向上的长度。两个传感器高度边缘是连续的，但是第一铁磁层内的第四铁磁层143的底表面在传感器高度方向上的长度短于第三铁磁层141的顶表面在传感器高度方向上的长度。以及这些传感器高度边缘是不连续的。在上述结构中，从磁技术观点，接近第三铁磁性薄膜141的薄膜表面的区域可以被认为性能损坏，但是与钉扎层13的界面处的刻蚀损坏可以被认为是小的。而且，由于利用铁磁层16和中间层15规定用作磁回读信号的区域，因此磁性地受刻蚀损坏影响的该区域可以被认为较少影响到性能，因为与这种区域相比，该受蚀刻损坏影响的区域沿传感器高度方向位于较高位置。由此，即使在上述结构中也可以抑制输出减小和再生性能的不稳定性。
作为上述结构中的钉扎层13，可以使用诸如Pt-Mn系合金和Mn-Ir系合金的抗铁磁膜以及诸如Co-Pt系合金和Co-Cr-Pt系合金的硬磁膜。作为第一铁磁层14、第三铁磁层141、第四铁磁层142，可以使用Ni-Fe系合金、Co-Fe系合金、Co-Ni-Fe系合金以及诸如磁铁、霍斯勒(Heusler)合金的高极化材料以及这些元素的层叠膜。此外，也可以使用经由隔片层叠三层或更多层层叠式铁磁层的多层膜。此外，即使当与第二实施例的情况一样地使用其中该锥形延伸到下磁屏蔽层11的结构时和当与第三实施例一样使用层叠式偏置结构作为磁阻膜时，本发明的效果也决不改变。
[第六优选实施例]
图8示出了本发明的磁阻磁头的磁性传感器在传感器高度方向上的截面结构，本发明的磁阻磁头可以用最简单的工艺来制造。传感器高度方向用第二铁磁层16的长度规定，以及长度多于第二铁磁层16的衬底的侧面中的层在传感器高度方向上的长度被设置为等于或长于该传感器高度方向，以及当它靠近衬底的侧面时这种长度变得更长。由于可以通过利用单层剥离掩膜来改变刻蚀条件，可以实现该形状。
从抑制刻蚀损坏的观点，在钉扎层13和第一铁磁层14之间的界面的传感器高度方向上，钉扎层13的刻蚀损坏的影响损坏在接近边缘的区域处的交换耦合性能，但是由于形成包括锥形的钉扎层13，刻蚀损坏从钉扎层的锥形表面扩展到恒定深度，以及该损坏不扩展到薄膜厚度方向上的整个部件，甚至也不扩展到交换耦合性能被损坏的区域中。即使在该结构的情况下，也可以形成传感器高度方向回填薄膜18，而不产生台阶。由此，可以减小输出的降低和也可以抑制再生性能的不稳定性。
在上面的说明中，磁阻膜利用其中中间层是隧穿壁垒的TMR效果或利用其中中间层是导电层或该导电层包括限流路径层的CPP-GMR效果。但是，感测电流流过形成磁阻膜的材料的薄膜表面的器件，如利用磁性半导体和极化旋转的扩散和积累现象的器件，也可以提供类似于本发明的效果。此外，下间隙层12、第一上间隙层171、第二上间隙层172不是必需的，以及如果从结构和制造观点不需要这些层，这些也可以被除去。
而且，上面已经说明了磁阻磁头，其中磁阻膜被分配为暴露给空气支承面。但是，从其中磁阻膜被分配给从空气支承面凹陷的区域由此它根本未被暴露或部分暴露给空气支承面的磁阻磁头也可以获得类似的效果。
而且，当使用上面详细说明的磁阻磁头时，可以提供具有较高面密度的磁存储设备。图9是这种磁存储设备的实施例的示意图。该磁存储设备包括用于磁性地写入信息的磁盘201、用于旋转该磁盘的电机202、用于将信息写入磁盘201和从磁盘201读取信息的磁头203、用于支撑该磁头的支架204、用于定位磁头的致动器205以及用于处理该信息(写和回读信号)的读/写电路206。作为磁头203的读磁头，使用上面详细说明的磁阻磁头。磁盘阵列设备也可以通过组合多个磁存储设备来构建。在此情况下，由于同时使用多个磁存储设备，可以提高对于信息的处理能力和也可以提高该设备的可靠性。
[参考数字的描述]
101：衬底；102：绝缘膜；11：下磁屏蔽层；12：下间隙层；13：钉扎层；14：第一铁磁层；141：第三铁磁层；142：隔片；143：第四铁磁层；15：中间层；16：第二铁磁层；171：第一上间隙层；172：第二上间隙层；18：传感器高度方向回填薄膜；21：上层磁屏蔽层；23：第二钉扎层；24：纵向偏置层；25：用于控制耦合场的层；30：空气支承面；38：磁道方向回填薄膜；39：纵向偏置层；50：传感器高度方向剥离掩模；51：传感器高度方向剥离掩模；61：重淀积物；150：表示磁道方向的箭头标记；201：磁盘；202：电机；203：磁头；204：支架；205：致动器；206：读/写电路；501：下层抗蚀剂；502：上层抗蚀剂。

Claims (13)

1.一种磁阻磁头，包括：
下磁屏蔽层；
磁阻膜，其包括钉扎层、第一铁磁层、中间层以及在所述下磁屏蔽层上形成的第二铁磁层；
在所述磁阻膜的传感器高度方向上分配的传感器高度方向回填膜；以及
在所述磁阻膜和所述传感器高度方向回填膜上形成的上磁屏蔽层，所述磁阻磁头施加感测电流到所述第一铁磁层和所述中间层之间的界面以及所述中间层和所述第二铁磁层之间的界面，其特征在于
所述钉扎层的底表面处在传感器高度方向上的长度长于所述第一铁磁层的底表面处在传感器高度方向上的长度，
由在传感器高度方向中的所述钉扎层的边缘相对于从所述磁阻膜的底表面延伸的表面形成的角度小于由在传感器高度方向中的所述第二铁磁层的边缘相对于从所述磁阻膜的底表面延伸的表面形成的角度，以及
所述传感器高度方向回填膜的顶表面的高度等于或高于所述磁阻膜的顶表面。
2.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其特征在于由在传感器高度方向上的所述第一铁磁层的边缘相对于从所述磁阻膜的底表面延伸的表面形成的角度小于由在传感器高度方向上的所述第二铁磁层的边缘相对于从所述磁阻膜的底表面延伸的表面形成的角度，以及大于由在传感器高度方向上的所述钉扎层的边缘形成的角度。
3.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其特征在于所述第一铁磁层具有多层结构，在该多层结构中铁磁层经由非磁性金属层以两个或更多层层叠。
4.根据权利要求3所述的磁阻磁头，其特征在于：与构成所述第一铁磁层的多个铁磁层当中的所述钉扎层接触的第三铁磁层的底表面在传感器高度方向上的长度等于所述钉扎层的顶表面在传感器高度上的长度，以及第四铁磁层的底表面在传感器高度方向上的长度短于所述第三铁磁层的顶表面在传感器高度方向上的长度，该第四铁磁层构成分配在所述第三铁磁层上的所述第一铁磁层。
5.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其特征在于所述钉扎层由抗铁磁层形成。
6.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其特征在于所述中间层的底表面在传感器高度上的长度长于所述第二铁磁层和所述中间层之间的界面在传感器方向上的长度。
7.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其特征在于：所述第一铁磁层的底表面在传感器高度方向上的长度长于所述中间层的顶表面在传感器高度方向上的长度，在所述中间层的顶表面和所述第一铁磁层的底表面之间存在在传感器高度方向上长度不连续地变化的区域。
8.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其特征在于：所述中间层的底表面在传感器高度方向上的长度长于所述第二铁磁层的顶表面在传感器高度方向上的长度，以及在所述第二铁磁层的顶表面和所述中间层的底表面之间存在在传感器高度方向上长度不连续地变化的区域。
9.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其特征在于：沿传感器高度方向在比所述磁阻膜更高的位置处的下磁屏蔽层和所述上磁屏蔽层之间的距离大于在空气支承表面处的所述下磁屏蔽层和所述上磁屏蔽层之间的距离。
10.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其特征在于：经由用于控制耦合场的层，在所述第二铁磁层上层叠纵向偏置层和第二钉扎层，所述中间层的底表面在传感器高度方向上的长度长于所述第二铁磁层的顶表面在传感器高度方向上的长度，以及在所述第二铁磁层的顶表面和所述中间层的底表面之间存在在传感器高度方向上长度不连续地变化的区域。
11.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其特征在于：所述钉扎层的底表面在传感器高度方向上的长度长于所述第一铁磁层的顶表面在传感器高度方向上的长度，以及在所述第一铁磁层的顶表面和所述钉扎层的底表面之间存在在传感器高度方向上长度不连续地变化的区域。
12.一种磁阻磁头的制造方法，包括以下步骤：
在衬底上形成下磁屏蔽层、下间隙层、钉扎层、第一铁磁层、中间层、第二铁磁层以及上间隙层；
形成包括下层抗蚀剂和上层抗蚀剂的双层抗蚀剂图案，与所述下层抗蚀剂相比，该上层抗蚀剂在传感器高度方向上的长度更长，该上层抗蚀剂被分配在该下层抗蚀剂上，作为用于刻蚀至所述第二铁磁层或所述中间层的掩模；
使用所述双层抗蚀剂图案作为掩模，通过以相对于衬底的法线方向的第一入射角照射刻蚀离子从而执行第一刻蚀，用于刻蚀至所述第二铁磁层或所述中间层，
通过以相对于衬底的法线方向的小于所述第一刻蚀角的第二入射角进行刻蚀离子的照射刻蚀至所述下间隙层来执行第二刻蚀，该第二刻蚀用于在传感器高度方向上处理至少所述下间隙层、钉扎层以及第一铁磁层的边缘为锥形形状；
形成传感器高度方向回填膜；
除去所述双层抗蚀剂图案；以及
形成上磁屏蔽层；
13.一种磁阻磁头的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
在衬底上形成下磁屏蔽层、下间隙层、钉扎层、第一铁磁层、中间层、第二铁磁层以及上间隙层；
形成第一抗蚀剂图案作为掩模，用于刻蚀到所述第二铁磁层或中间层；
通过使用所述第一抗蚀剂图案作为掩模以相对于衬底的法线方向的第一入射角输入刻蚀离子，来进行第一刻蚀直到所述第二铁磁层或所述中间层；
除去所述第一抗蚀剂图案；
形成第二抗蚀剂图案作为掩模，用于刻蚀达到所述下磁屏蔽层，该第二抗蚀剂图案在传感器高度方向的长度长于所述第一抗蚀剂图案；
使用所述第二抗蚀剂图案作为掩模，通过以相对于衬底的法线方向的大于所述第一刻蚀角的第二入射角进行刻蚀离子的照射刻蚀至所述下间隙层，来执行第二刻蚀，该第二刻蚀在传感器高度方向上处理至少所述下间隙层、钉扎层以及第一铁磁层为锥形形状；
形成传感器高度方向回填膜；
除去所述双层抗蚀剂图案；以及
形成上磁屏蔽层。
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