CN101071574A - 具有gmr－筛网层的cpp－gmr磁头 - Google Patents
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Abstract
提供一种具有足够高输出的自旋－阀门型磁头。其中通过在由铁磁金属突出状部分162和半－覆盖氧化层161构成的GMR－筛网层160中，使GMR－效果和电流－路径－限制效果它们同时出现，实现高输出与高稳定性共存的结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁记录/再现设备和在其中装备的磁头，具体地，涉及一种用于高密度磁记录/再现设备的磁头及其制造方法。
背景技术
在主要由硬盘构成的高密度磁记录技术中，磁阻磁头用于读传感器，并且是对磁记录技术的性能施加强烈影响的部件。在使磁记录设备的记录密度快速地增高的构架内，现有技术不能实现具有足够高的记录密度的磁记录设备；具体地，不能获得用作读元件的具有足够的输出和相对于外部磁场的灵敏度以及具有足够稳定性的优异性能磁阻磁头，，以致实现记录设备的功能是困难的。
最近，众所周知其中通过非磁性金属层即所谓的巨磁阻层叠铁磁性金属层的多层膜的磁阻较大。过去，当该磁阻用于磁头时，电流在层状薄膜的平面中流动，使用所谓的CIP-GMR。而且，最近对垂直于该平面电流巨磁阻进行研究，即所谓的CPP-GMR，其中电流在层状薄膜的薄膜厚度方向上流动。本发明涉及一种磁阻自旋-阀门传感器和使用CPP-GMR的磁头。
[专利文献1]JP-A No.204094/2003
[专利文献2]JP-A No.208744/2002
[专利文献3]JP-A No.355682/2004
发明内容
[发明解决的问题]
使用常规磁阻磁传感器的磁头的缺点是，它不能得到高输出。具体地，所谓的限制-电流-路径型CPP-GMR的技术中的问题是，它不能控制精细针孔结构的制造，该精细针孔结构用于使电流部分地在薄膜厚度方向上流动。这里用于在薄膜厚度方向上部分地流动电流的结构被称作筛网层。专利文献1和2具体地描述了其中引入筛网层用于部分CPP-GMR层状薄膜的结构。由于筛网层是其中通过限制电流在薄膜厚度方向上流动部分地增加电阻值并获得大输出的技术，电流流动的筛网层的区域的形状和尺寸以及筛网层的位置，大大地影响限制-电流-路径型CPP-GMR层状膜的输出。另一方面，该薄膜层是非常薄的，该薄膜层是CPP-GMR层状膜的结构部件并包括筛网层。GMR效果是电子的自旋-相关散射效果，该电子在具有约几纳米厚度的区域中产生。筛网层不简单地限制电流，而是还在不干扰电子的自旋-相关散射效果的条件下必须影响电阻，其中通过限制电流到产生GMR的区域以增加磁阻，电子的自旋-相关散射效果是GMR的原理。因此，具有精细孔的结构必须被很好的控制，以及不损坏GMR的基础部分地靠近该基础部分。因此，在常规技术中，不可能提高限制-电流-路径型CPP-GMR的输出。
本发明的目的是提供一种可以稳定地实现高磁阻和高输出的限制-电流-路径型CPP-GMR。
[解决问题的方法]
在本发明中，作为解决上述问题的方法，使用一种磁阻层状薄膜，其具有GMR-筛网层，该GMR-筛网层具有电流-路径-限制效果和GMR效果。通过在一个结构中实现上述两个效果，可以有效地产生电流-路径-限制效果，而不损坏GMR效果，该上述的两个效果通常是独立的。
为了使上述的两个效果结合在一起，用由铁磁性金属层和氧化层的复合体构成的结构构成GMR-筛网层，其中氧化层具有覆盖铁磁性金属层的下层的孔，以及通过上部氧化层的孔部分露出铁磁性金属层的下层的部分。
根据其中相邻地依次层叠软磁性自由层、非磁性中间层以及GMR-筛网层的结构，通过氧化层的孔部分，在非磁性中间层的界面处露出或突出GMR-筛网层的部分铁磁性金属层，导致在软磁性自由层/非磁性中间层/铁磁性金属层的突出部分处实现GMR效果。根据这种结构，GMR-筛网层实现电流-路径限制结构，其中在薄膜厚度方向上流动的电流路径可以被适当地限制，以及同时，实现GMR效果，其中通过氧化层中的孔露出的铁磁性金属层和软磁性自由层互相作用。在下面，铁磁性金属层的上述露出或突出部分可以被称作突出状铁磁性金属。
通过分离-耦合层，用铁磁性固定层层叠GMR筛网层。该分离-耦合层执行使精细孔被较好控制的功能，其通过将GMR-筛网层与铁磁性固定层物理地分开，决定具有GMR-筛网层的孔部分的氧化层的电流-路径-限制效果。而且，此时，分离-耦合层使铁磁性耦合力在GMR-筛网层和铁磁性固定层之间起作用，以及它显示出让GMR-筛网层的磁化方向被布置在一个方向上的效果。
在使用典型的合成亚铁磁结构用于铁磁性固定层的例子中，本发明的典型结构将是，从衬底侧，反铁磁性层/第一铁磁性固定层/反平行耦合层/第二铁磁性固定层/分离-耦合层/GMR-筛网层/非磁性中间层/软磁性自由层。上述的第一铁磁性固定层和第二铁磁性固定层是用于布置GMR-筛网层的磁化方向的部件，以及它们本质上对GMR效果没有作用。
当GMR-筛网层的典型材料由选自Co、CoFe或Co合金及其氧化物的任意一种的前体铁磁性金属材料制成时，获得优异的GMR-筛网层。通过在分离-耦合层上形成前体铁磁性金属层，将其氧化适当的量，以及在形成非磁性中间层和软磁性自由层等之后，用适当的方法退火，制造在GMR-筛网层中具有精细孔的结构以及混合氧化物和铁磁性金属的结构。在氧化层部分和铁磁性金属层部分中，形成具有结晶性能的GMR-筛网层。使用这种结构，保持铁磁性固定层、非磁性中间层以及软磁性自由层的结晶连续性，通过GMR-筛网层，这些层被向上和向下层叠。亦即，晶粒结构或晶体优选为取向在铁磁性固定层、非磁性中间层以及软磁性自由层之间保持连续。
通过分离-耦合层，在GMR-筛网层和铁磁性固定层之间产生磁耦合，排列GMR-筛网层的磁化方向以及让GMR效果有效地出现。
根据上述方法，可以实现具有GMR-筛网层的CPP-GMR磁性传感器，其中同时提供电流-路径-限制效果和GMR效果。
[发明的效果]
根据本发明，通过应用使用GMR-筛网层的结构，可以实现高磁阻和高输出，其中在CPP磁阻层薄膜中，同时出现电流-路径-限制效果和GMR效果。在其中这些用于读磁头的磁记录/再现设备中，可以实现高记录密度，亦即，在记录介质中记录和利用窄记录磁道宽度记录的同时可以实现短记录波长，因此可以获得足够的输出以及可以保持优异的记录。
附图说明
图1是说明本发明的典型磁阻读传感器的层状结构的绘图。
图2是说明本发明的GMR-筛网层的详细结构的绘图。
图3是说明本发明的GMR-筛网层的制造方法以及使用它的磁阻层状结构的制造方法的绘图。
图4是说明本发明的GMR-筛网层的形成过程的绘图。
图5是说明本发明和常规结构的GMR区的示意图。
图6示出了在前体铁磁性金属层的厚度改变时的情况下，磁阻层状结构中的GMR-筛网层的磁化量的视图。
图7是其中观察到本发明的GMR-筛网层的TEM图像。
图8是其中关注晶体结构并观察到本发明的GMR-筛网层的TEM图像。
图9是前体铁磁性金属层的厚度和结构的概念图。
图10示出了当使用GMR-筛网层时，CPP-GMR元件的电阻-面积乘积RA和MR比率(电阻变化率)之间的关系视图。
图11示出了分离-耦合层的厚度和电阻-面积乘积之间的关系视图。
图12示出了分离-耦合层的厚度被控制为0.5nm时的MR曲线和作为比较当该厚度被控制为2nm时的MR-曲线的视图，0.5nm是适当的值。
图13示出了分离-耦合层的适当厚度区的视图。
图14试验性地示出了本发明的GMR-筛网层的GMR效果的视图。
图15示出了本发明的GMR-筛网层的结构和成分的试验结果的视图。
图16是说明磁阻磁头的结构例子的绘图。
图17是说明用于垂直记录的记录/再现分离型磁头的结构例子的绘图。
图18是说明磁记录/再现设备的结构例子的绘图。
图19是示出了说明本发明的磁阻磁头的高温加速度测试的结果的例子的视图。
图20为通过电阻和电阻变化的比较来示出本发明的磁阻磁头的高温加速度测试结果的视图。
图21是本发明的磁阻磁头的高温加速度测试结果的视图。
图22是作为Arrhenius曲线的本发明的磁阻磁头的高温加速度测试结果的视图。
具体实施方式
构成本发明巨磁阻层状膜的薄膜如下通过使用dc磁控溅射设备制造。在具有0.2至0.3mTorr氩气的空气中，在陶瓷衬底上依次淀积下列材料。使用钽、铁镍合金、铜、CoFe、MnPt以及钌的靶用于溅射靶。如下形成层状薄膜。DC电源被独立地施加到每个阴极，每个靶被放置在此处在腔室中产生等离子体，以及通过一个接一个地打开和关闭布置在每个阴极处的光闸，依次淀积每个层。
在淀积薄膜时，通过使用永久磁铁，平行于衬底施加约80奥斯特的磁场，导致获得单轴各向异性。通过在真空中，在270℃时的磁场中退火该淀积膜三个小时，该MnPt反铁磁膜被相位-变换。通过用光刻工序构图，在该衬底上形成元件。此后，滑动器制造被应用于衬底，以及它被安装在磁记录设备中。
[实施例1]
图1是本发明的典型磁阻读传感器的层状结构。通过非磁性中间层12层叠软磁性自由层13和GMR-筛网层160，形成磁阻层薄膜10。GMR-筛网层160具有突出状的铁磁性金属162，并且突出状的铁磁性金属162被露出或从存在于氧化层161中的部分孔突出。亦即，氧化层161具有覆盖它底下的铁磁性金属层的孔，在凸形的氧化层的部分孔中填充的部分铁磁性金属层被露出，并通过该孔部分接触相邻非磁性中间层。根据该结构，GMR筛网层160满足电流-路径-限制效果，限制薄膜厚度方向上的电流流动的电流流径，同时，用于自旋-相关散射源的功能产生GMR效果。分离-耦合层163接触GMR-筛网层160的界面的一侧。该界面的这一侧与接触非磁性中间层12的界面侧相对。通过该分离-耦合层163，GMR-筛网层160与铁磁性固定层15分开，以及半-覆盖氧化层161的覆盖率可以被控制为适当的值。
铁磁性固定层15由第一铁磁性固定层151、反平行耦合层154以及第二铁磁性固定层152构成，以及通过与反铁磁性膜11交换耦合，磁化基本上固定为与应该被感测的磁场相反。GMR-筛网层160的磁化实际上通过分离-耦合层163被铁磁耦合力固定。
图2示出了本发明的GMR-筛网层的详细结构。GMR-筛网层由铁磁性金属层和氧化层的复合体构成，该氧化层具有覆盖铁磁性金属层的孔。该铁磁性金属层具有突出到其上的氧化层中的部分，亦即，突出状铁磁性金属162。在GMR-筛网层的表面上，突出状的铁磁性金属162从氧化层161中的部分孔露出。氧化层161半覆盖它底下的铁磁性金属层，使上述的突出部分露出并在孔部分突出。突出状铁磁性金属162是连续地连接到层状铁磁性金属部分166的铁磁性金属部分的一种成分。
图3示出了本发明的GMR-筛网层的制造方法以及使用它的磁阻层状结构的制造方法。如图3的(a)所示，在衬底上形成底层14、反铁磁性膜11、第一铁磁性固定层151、反平行耦合层154以及第二铁磁性固定层152，以及通过该分离-耦合层163，形成前体铁磁性金属层167。接下来，在同样的真空设备中，它被暴露于氧气气氛。如图3的(b)所示，通过用适当的方法执行氧化过程，前体铁磁性金属层167变为其中在没有被氧化的结晶非氧化层164上形成氧化的结晶氧化层165的结构。接下来，如图3的(c)所示，形成非磁性中间层12、软磁性自由层13以及保护/盖膜17作为磁阻层状膜的残余部分。通过结晶的氧化层165以及结晶的非氧化层164，利用铁磁性固定层15连续结晶地形成非磁性中间层12和软磁性自由层13。在此，结晶的连续性意味着被晶粒边界限定的晶粒结构是连续的，以及它是间接外延结构，其中在薄膜厚度方向上，每个晶粒中的晶体取向相同或拥有特定的关系。在图8的说明中将详细描述。如图3的(d)所示，通过在以此方式形成的层状结构上执行退火，可以获得其中具有孔的氧化层覆盖铁磁性金属层的复合体，亦即，可以获得突出状的铁磁金属162和具有预定覆盖率的半覆盖氧化层161。
下面将参考图4描述形成该GMR-筛网层160的原理。
(1)Co是形成所谓的钝化表面的金属材料，当它被氧化时，仅仅在该表面停止氧化。因此，当Co或主要由Co构成的合金被形成为前体铁磁性层，并暴露于氧气气氛时，在该表面形成具有预定厚度的结晶氧化层，以及该氧化层的厚度相对于氧化压力和氧化时间比较稳定，以及它容易被控制。
(2)用底下的前体铁磁性层的非氧化部分(结晶非氧化层)外延该结晶氧化层。当在其上层叠非磁性中间层和软磁性自由层(下文中这些部分被称作上部结构)时，上部结构、结晶性氧化层以及结晶性非氧化具有保持外延关系的结构。
(3)当进行半覆盖热处理时，氧气从结晶性氧化层扩散到上部结构以及结晶性非氧化层中以接近热稳定的状态。部分地减小的氧化物变为铁磁性金属，并在具有低表面能的结晶性非氧化部分(铁磁性金属)的颗粒边界处析出。
(4)通过控制半覆盖热处理的时间和温度，可以控制反应的速度以及它向热平衡状态前进的程度，由此，形成具有半-覆盖氧化层和突出状铁磁性金属的GMR-筛网层。
而且，分离-耦合层163具有在半-覆盖热处理过程中促进结晶氧化层165分解的效果。这些被认为是由于结晶氧化层165的热分解，该热分解取决于来自相邻金属层的应力-驱动限制。当没有分离-耦合层163时，通过退火的结晶氧化层165的分解受到来自相邻铁磁性固定层的强烈限制的控制，导致GMR-筛网层的微观结构，亦即，突出状的铁磁性金属162和半覆盖氧化层161的结构没有依照期望形成。而且，分离-耦合层163防止氧气不必要地扩散到铁磁性固定15中，以及具有将铁磁性固定层15的稳定性保持在高级别的功能。
使用本发明的制造过程的特点如下。
(1)在现有技术中，如果在淀积的同时形成孔形结构，那么形成在孔形结构的上侧的结构变得不均匀，因为在该薄膜的平面中，孔形结构基本上是不均匀的。亦即，在非磁性中间层或软磁性自由层的结构中产生晶体优选取向的粗糙性和不均匀性(在孔的上半部和非孔部分的上半部之间的差值)，这样会产生反作用，如软磁性能的退化。在本发明的方法中，在淀积薄膜时没有孔形结构，以及在薄膜平面中可以获得均匀的非磁性中间层和软磁性自由层。
(2)在现有技术种，当淀积薄膜时试图制造孔形结构时，孔的尺寸和它们的数目变得不均匀和不稳定，导致控制困难。认为分配主要是由于不连续结构的形成，通过薄膜淀积的微观结构的制造产生。另一方面，在本发明的制造方法中，在薄膜淀积和氧化过程期间在均质结构中进行形成，以及通过随后的热处理金属和氧化物的量比率可以被提供具有热稳定性。因此，通过使用本发明的制造方法可以稳定地获得电流-路径-限制效果。
(3)而且，在本发明的方法中，通过在制造非磁性中间层和软磁性自由层之后退火，可以获得增加化学稳定性的效果。仅仅在靠近前体层进行热处理时的情况下，氧气可以扩散的区域仅仅是铁磁性固定层侧，而随后制造的非磁性中间层和软磁性层不受氧气影响。因此，如果产生在后续过程中氧气扩散的情况，那么氧气开始重新扩散到非磁性中间层和软磁性自由层中，这样磁阻层状结构的性能没有变稳定。在本发明的制造方法中，在半覆盖热处理之前，形成磁阻层状结构，以及通过退火使非磁性中间层和软磁性自由层预先作为氧气的部分扩散路径。因此，由于即使温度增加或电流流动，氧扩散也不被促进，因此可以实现恒定的电流-路径-限制效果和软磁性自由层的磁性能的稳定性。
下面将示出用于图1、2和3中所示的层状薄膜结构的具体材料的例子。底层14：Ni52Fe13Cr35(5nm)、反铁磁性膜11：Mn52Pt48(15nm)、第一铁磁性固定层151：Co90Fe10(3nm)、反平行耦合层154：Ru(0.8nm)、第二铁磁性固定层152：Co90Fe10(2nm)、分离-耦合层163：Cu(0.5nm)、前体铁磁性金属层167：Co90Fe10(1.5至3nm)、非磁性中间层：Cu(2nm)、软磁性自由层13：Co90Fe10(1nm)/Ni80Fe20(2nm)、保护/盖层Cu(1nm)/Ru(5nm)。
图5是本发明和现有技术的GMR区的概念图。图5的(a)是本发明的结构。图5的(b)示出了作为比较例子的常规结构1，其中在非磁性中间层中包括电流-筛网层，以及图5的(c)示出了作为比较例子的常规结构2，其中在铁磁性固定层中包括电流-筛网层。
在本发明的结构中，如图5的(a)所示，GMR-筛网层160和软磁性自由层13互相邻接，仅仅隔开非磁性中间层12的厚度的距离，因此，在产生产生读信号的GMR现象的部分中，电子的所需迁移长度约为非磁性中间层12的厚度。非磁性中间层12的厚度可以被制得较薄，以保持软磁性自由层13和GMR-筛网层160之间的磁耦合足够地小。软磁性自由层13和GMR筛网层160之间的磁耦合可以被使得几乎为零，即使它被具体地制造为尽可能薄的2nm。由于GMR效果是两个层之间的电子自旋信息的交换，该两个层是GMR区，本发明的结构可以得到更大的GMR效果。
当为了比较类似地观看图5的(b)中所示的常规结构1的GMR区时，非磁性中间层，在其处电流筛网层被夹在软磁性自由层和铁磁性固定层之间，在其处自旋信息被交换。在常规结构1中，通过夹入电流筛网，非磁性中间层的总厚度变得更厚，以及交换自旋信息所需的距离变得更大。
在图5的(c)中所示的常规结构2中是相同的，其中在铁磁性固定层中夹入电流-筛网层。由于电流-路径-限制扩大对相邻电阻的作用，在常规结构2的GMR区中，仅仅需要考虑软磁性自由层和围绕铁磁性固定层中的区域的电流筛网层之间的距离。在该距离中进行自旋数据的交换，该距离仅仅是非磁性中间层和部分铁磁性固定层的厚度的总和。
根据这种理论，知道与常规结构相比较，通过使用本发明的结构增加MR比率的效果是较高的。
图6示出了在前体铁磁性金属层的薄膜厚度变化的情况下，磁阻层状结构中的GMR-筛网层的磁化量的变化。在此，GMR-筛网层的磁化量是从在制造磁阻层状结构之后磁化的总量减去软磁性自由层和铁磁性固定层的磁化量的值。作为比较，也示出了不执行氧化过程时的情况下的磁化量。
GMR-筛网层(没有氧化过程)的磁化量线性地增加，穿过原点，与前体铁磁性金属层的厚度成比例。在GMR-筛网层(应用氧化过程)的情况下，当前体铁磁性金属层的厚度是1nm时，并且知道1nm厚的前体铁磁性金属层被完全氧化时，GMR-筛网层的磁化是零。当前体铁磁性金属层被制得更厚时，它增加表明具有与没有氧化过程的情况相同的倾斜的线性关系。结果，通过使用本发明的图3所示的制造方法，前体铁磁性金属层仅仅被氧化约1nm，并保持在铁磁性金属的状态，以形成GMR-筛网层。
图7是观察本发明的GMR-筛网层的TEM图像。尽管试验性地观察该结构，如在极其薄的平面上具有局部混合部分的本发明的结构，是非常困难的，，但是作为仔细观察的结果，可以观察到本发明的GMR-筛网层的结构图像。
在图7所示的截面观察图像中，在整个观察区中观察到晶格，以及知道本发明的磁阻层状结构具有优异的晶体优选取向。通过测量图7中观察到的晶格图像的晶格间距，并将它与层状结构设计比较，可以理解图7中观察到的每个部分的结构。0.25nm的晶格间距几乎与典型为CoO的氧化物的晶格间距相同，以此知道该部分是由Co-O或CoFe-O构成的结晶氧化物。知道结晶氧化物的这些区域，亦即，所谓的本发明的半覆盖氧化层结构，以如图7中的虚线所示的几乎层状形状延伸，以及部分地具有“孔”。这些孔的部分也结晶以及晶格间距是0.21nm，其与CoFe(111)面的晶格间距相同，以及对应于保持图6的说明中描述的GMR-筛网层中的铁磁性金属的状态的部分。该GMR筛网层的上层和下层分别是非磁性中间层(Cu)和铁磁性固定层(CoFe)。
由上述结果，可以认为本发明的GMR-筛网层具有如图7的底部所示的示意图的结构。在前体铁磁性金属层中约1nm的部分变为结晶氧化物和变为半覆盖氧化层，该半覆盖氧化层半覆盖不处于氧化状态的部分。不处于氧化状态的铁磁性金属由层结构的部分和在半-覆盖氧化物中突出的突出状铁磁性金属构成。
而且，当关注GMR-筛网层的上层状部分和下层状部分的结晶态时，可以观察到外延关系。图8是当关注铁磁性固定层、非磁性中间层以及软磁性自由层的结晶态时，与图7相同的TEM图像的图像。如图8中的A和A’所示，在铁磁性固定层和非磁性中间层中观察到强烈取向的(111)面的晶格图像，这样可以知道它们通过突出状铁磁性金属连续地连接。软磁性自由层也具有与非磁性中间层(A”)连续的晶体结构。尽管显示为B和B’的部分通过半-覆盖氧化层连接，但是B、B’和B”也类似于该情况，表现出强烈取向的(111)面的晶格图像，这样可以知道B、B’以及B”保持结晶地相同的关系。而且，图中的虚线中示出了B、B’和B”附近的晶粒边界，以及晶粒边界的空间关系在铁磁性固定层和非磁性中间层以及软磁性自由层中是相同的，该铁磁性固定层在穿过半-覆盖氧化层的下面，而非磁性中间层和软磁性自由层都在穿过半覆盖氧化层的上面。
如上所述，当保持穿过GMR-筛网层的上面和下面的结晶连续性的同时，形成本发明的磁阻层状结构。在GMR-筛网层中的突出状铁磁性金属的部分和半覆盖氧化层的部分中也是相同的，导致能够将软磁性自由层的结晶性保持在高级别。由于软磁性自由层的磁性能可以被非常好的保持，以及GMR-筛网层的结晶稳定性通过与上和下薄膜的连续性得到增强，本发明的GMR-筛网层可以显示出高的长期可靠性。
图9是前体铁磁性金属层的厚度和结构的概念图。该结构是在图3中所示的热处理过程之后的结构。在前体铁磁性金属层的厚度较薄的情况下(图9(a))，它变为其中整个前体铁磁性金属层变成氧化膜的结构，如由图6中所示的磁化量理解。该氧化膜具有微小的针孔，这样电流限制是可能的，但是在该部分不能观察到GMR效果，因为它不具有铁磁性金属部分。在该结构中观察到的GMR效果是在软磁性自由层和穿过上述氧化层的铁磁性固定层之间产生的GMR效果，导致不能够获得高的MR比率，因为它们之间的长距离。当前体铁磁性金属层被制得较厚时，退火之后该磁阻层状结构的结构成为一种其中氧化物和铁磁性金属颗粒都共存的结构，如图9的(b)所示。在该结构中，因为铁磁性金属颗粒的存在，GMR效果可以存在，但是，由于铁磁性金属颗粒的体积和厚度是小的，除磁化的不稳定性之外，电子的散射几率是小的。
通过形成更厚的前体铁磁性金属层和执行适当的氧化处理、层叠处理以及退火，制造图9的(c)中所示的本发明的GMR-筛网层的结构。通过结晶氧化物获得电流-路径-限制效果，并且此外，通过从结晶氧化物的非覆盖部分当中突出铁磁性突出部分引起高的GMR效果出现。此外，铁磁性金属将突出部分固定为层状形状，以增加铁磁性金属的体积，导致同时实现磁稳定性和高的散射效应。结果，本发明的GMR-筛网层可以与软磁性自由层有效地交换电子的自旋信息，导致出现高的MR比率。在图9的(a)和(b)中所示的结构中，通过在软磁性自由层和铁磁性固定层之间交换自旋信息，产生GMR效果，以及另一方面，在本发明中的GMR-筛网层和软磁性自由层之间产生GMR效果。使用厚的前体铁磁性金属层形成GMR-筛网层具有提高电流-路径-限制效果的效果，这样之后其将参考图10和11进行分别的描述。
图10示出了当使用GMR-筛网层时的情况下CPP-GMR元件的电阻-面积乘积RA和MR比率(电阻变化率)之间的关系图。图中的A、B和C分别对应于图9的(a)、(b)和(c)，以及对应于前体铁磁性层的厚度0.8至1.2nm、1.2至1.5nm以及1.5至4nm。利用具有其中前体铁磁性金属层完全地变成氧化物的厚度的组A的元件，获得的MR率约为1.5至2％。利用包括前体铁磁性金属层中的金属精细颗粒的组B的元件，MR率略微地增加，但是它是3％或更少。利用具有本发明的GMR-筛网层的结构的组的元件，MR率被提高至4至7％或更多。以此方式，很清楚在提高MR率中GMR-筛网层的结构是有效的。
在此，注意图10中显示的电阻-面积乘积RA的值。在组A中，电阻-区乘积RA小于0.1Ωμm2，以及该值低至约为未使用电流-路径-限制效果时的值的1.5倍，这样很清楚在组A中电流-路径-限制效果是相当弱的。在组B中，电流-路径-限制效果被增加，以使电阻-面积乘积RA约为0.2Ωμm2，而且，在组C中甚至获得0.5至0.8Ωμm2的更大电阻-面积乘积。电阻-面积乘积约为0.2至1Ωμm2是所希望的，这样知道组C具有期望的性能。另一方面，知道在三个组中，电流-路径-限制效果是不同的。由于无论如图6所示的前体铁磁性层的厚度是多少，形成的氧化物量是几乎恒定的，因此可以认为由结构的差异所引起该差值，亦即，孔的尺寸和数目由于前体层的厚度而变化。尽管详细的机理不清楚，但是在退火的同时通过氧化物的分解得到非覆盖的过程在图9中所示的三个结构中可以是不同的，以及认为铁磁性金属层越邻近，抑制非覆盖的过程效果越大。
在分离-耦合层中观察到相同的电阻-区乘积控制效果。图11示出了分离-耦合层的厚度和电阻-面积乘积之间的关系。在分离-耦合层的厚度为零时的情况下，亦即，未使用分离-耦合层，电阻-面积乘积变得大于1Ωμm2，这种高电阻-面积乘积不是优选的，因为除增加应用于磁头中的噪声之外，来自ESD元件性能的散布和损坏的频率增加。当引入0.2nm厚的分离-耦合层时，电阻-面积乘积略微地减小，但是它是0.8mΩμm2或更多。当分离-耦合层是0.5nm或以上时，电阻-面积乘积减小至0.3至0.4Ωμm2，很清楚可以获得应用的优选值。该效果是低的，因为0.2nm厚度的分离-耦合层在原子单层的厚度上形成，且形成连续膜是困难的，以及当分离-耦合层被制得大于约0.5nm时，可以认为它用作连续层。结果，可以认为，当前体铁磁性金属层被形成为预定厚度以及通过使用图3所示的制造方法以希望的结构形成GMR-筛网层时，分离-耦合层的功能是将前体铁磁性金属层与铁磁性固定层物理地分开。铁磁性固定层和前体铁磁性金属层都由铁磁性金属元素构成，因此，它们具有类似的元素成分。用于这种磁头应用领域的铁磁性元素被限于Fe、Co和Ni的三种元素。具体地，在该实施例中，使用相同的基于CoFe的合金以及它对于薄膜制造具有大优点。
在没有分离-耦合或它太薄而不起作用的情况下，前体铁磁性层直接接触第二铁磁性固定层，具体地如使用图1的结构说明。这带来类似于前体铁磁性金属层较厚的效果。如图10所示，试验性地知道当前体铁磁性层的厚度变厚时，通过形成的氧化物，电流-路径-限制效果变得极其高，而在应用中极其高的电阻区乘积是不利的。因此，我们发现分离-耦合层具有通过拒绝前体铁磁性金属层和铁磁性固定层之间的直接接触来控制电阻-面积乘积为适当值的功能。
下面将描述分离-耦合层的第二功能。当分离-耦合层的厚度被控制为0.5nm的适当值时的情况下，图12的(a)中示出了MR曲线，以及作为比较，图12的(b)示出了厚度被控制为2nm时的情况下的MR曲线。分离-耦合层正常作用的厚度是0.5nm至1.5nm，以及该区域中的MR曲线如图12的(a)所示示出了常规自旋-阀门操作。亦即，在零磁场附近MR率功能地按台阶变化，并且在正侧和负侧上都具有平坦区。这种情况的出现是由于分离-耦合层具有使铁磁性固定层和GMR-筛网层磁性耦合的功能，因此，GMR-筛网层的磁化实际上被固定至外部磁场。另一方面，在分离-耦合层的厚度是2nm的情况下，知道如图12的(b)所示出现角状过渡区以及作为自旋-阀门的MR曲线形状被破坏。在如磁头的应用中，这种角状部分对输出没有作用，这样它实际上没有作为MR率的功能。该角状部分由GMR-筛网层的磁化所引起，操作该磁化以阻止外部磁场。亦即，分离-耦合层的第二功能是让GMR-筛网层磁性耦合到铁磁性固定层。
图13示出了分离-耦合层的适当厚度的范围。根据图12所示的结果，当分离-耦合的厚度被控制为0.3nm或以下时，可以观察到电阻-面积乘积的控制效果。而且，当分离-耦合层的厚度被控制为1.5nm或以上时，不能保持磁耦合。结果，分离-耦合层的合适厚度约为0.3nm至1.5nm。
在此，为了说明本发明的物理含义，将通过使用分离-耦合层的厚度不适合时的情况中的例子来说明GMR-筛网层的功能。图14是分离-耦合层的厚度被控制为2nm时的情况中的例子。与图12的(b)中相同，可以观察到清楚的角状尖端。这是因为分离耦合层厚于适当厚度从而GMR-筛网层中发生的磁化旋转阻止外部磁场时的情况，然后，因此可以清楚地理解GMR-筛网层对GMR效果的作用。在图14的右侧示出了用于理论说明的绘图。由GMR-筛网层用作一个磁层的结果，知道在出现GMR效果的地方有两种组合，即GMR-筛网层和铁磁性固定层之间的间隙以及MR-筛网层和软磁性自由层之间的间隙。在图14的曲线图中，同时观察到，在GMR-筛网层和铁磁性固定层之间的间隙中产生的GMR效果以及在GMR-筛网层以及软磁性自由层之间的间隙中产生的GMR效果。由该结果清楚地理解本发明的GMR-筛网层不仅是电流筛网层而且显示出较高的GMR效果。
图15示出了改变用于前体铁磁性金属层的材料的结果。作为比较，还示出了当使用Co90Fe10前体铁磁性金属层时的现有技术的例子。在此，常规技术1和2对应于图5中描述的常规结构1和2。结果是在常规结构中获得1％至3％的MR率。另一方面，在本发明的结构中，当前体铁磁性金属层由相同的Co90Fe10构成时，在低电阻-面积乘积RA区(0.2Ωμm2或以下)中获得5至6％的MR率。因此，知道在本发明的GMR-筛网层结构中获得用于磁头的优异性能。接下来，观看Co用于前体铁磁性金属层时的情况，很清楚即使使用Co，也可以获得5％以上的MR比率。而且，示出了Co/CoFe层状薄膜用于前体铁磁性金属时的情况。获得5至6％的高稳定MR比率值。如上所述，作为利用本发明的结构效果实验的结果，在主要由Co构成的合金中可以获得高的MR比率。
图16是说明其中装备有使用本发明的磁阻层状薄膜的磁阻元件的读磁头的概念图。它是从与磁记录介质相对的空气支承面看到的绘图。它由在衬底50上形成的下磁屏蔽-连同-电极35、下导电间隙711、磁阻层状薄膜10、导电盖层41、上导电间隙721、上磁屏蔽-连同-电极36构成，兼作滑动器。在磁阻层状薄膜10的两侧放置高矫顽力偏置膜46，以给于磁畴稳定效果。如果为了实现磁畴稳定效果，使用除该图描述的结构之外的结构，那么本发明的目的不被破坏。读间隙43被限定在上磁屏蔽-连同-电极36和下磁屏蔽-连同-电极35之间的间隙处，以及通过在它们之间设置磁阻层状薄膜10而形成。
图17是说明其中安装有本发明的磁阻元件、用于垂直记录的记录/再现分离型磁头的概念图。它由在衬底上形成的磁阻层状薄膜10、下磁屏蔽-连同-电极35、上磁屏蔽-连同-电极36、返回磁极86、线圈42以及主磁极85构成，还兼作滑动器，以及形成与记录介质相对的空气支承面63。优选设置对应于图16中所示的高矫顽力偏置薄膜46的磁畴稳定结构，但是在该图中省略了描述。由于本发明的磁头是提高读部件的能力的磁头，因此它是可以被应用于垂直记录和常规纵向记录的技术。但是，通过将它与垂直磁记录磁头结合可以实现更有效的功能。
图18是使用本发明的磁头的磁记录/再现设备的结构的例子。磁盘95保持其处磁性记录信息的记录介质91，其中通过主轴电机93旋转磁盘95，以及通过致动器92将磁头滑动器90引导到磁盘95的磁道上。亦即，在该磁盘中，根据该机理，磁头滑动器90上形成的读磁头和写磁头相对移动并接近磁盘95上的预定记录位置，依次写和读信号。致动器92优选旋转致动器。通过信号处理系统94由写磁头在介质上记录写信号，以及通过信号处理系统94读磁头的输出被接收作为信号。而且，当读磁头被允许在记录磁道上移动时，通过使用来自该读磁头的高灵敏度的输出，检测磁道上的位置，以及通过控制该致动器，可以进行磁头滑动器的定位。在该图中，示出了磁头滑动器90和磁盘95的每一个，但是也可以是每一个的多个。而且，磁盘95可以在它的两侧上具有记录介质91以记录信息。在磁盘两侧上记录信息时的情况下，在磁盘的两侧上布置磁头滑动器90。
在如上所述的结构中，作为本发明的磁头的测试和在以上所述的结构中使用该磁头的磁记录/再现设备的结果，可以获得足够的输出、优异的偏置性能以及优异的操作可靠性。具体地，作为施加预定电压的长期工作测试的结果，在本发明的磁头中获得优异的工作寿命。图19是在高温环境中在本发明的磁头上进行加速度测试的结果。当在150℃的环境温度下，120mV的施加电压被施加到磁头时，由于磁头的自热，温度升高约为60℃。当在这些条件下进行长期工作测试时，在每个操作时间的结束时，观察到对应于该输出的电阻R的减小和电阻变化ΔR的减小(图19的左图)。在工作测试之前和30分钟和90分钟测试之后没有观察到磁头的MR曲线中的形状变化，以致很清楚没有发生磁异常。可以认为在加速度测试中，电阻和电阻变化的这种减小归结于GMR-筛网层的电流-路径-限制效果的量引起的变化。
图20示出了GMR筛网层的电流-路径-限制效果的量以及电阻和电阻变化之间的关系。假定电流在GMR-筛网层的突出状铁磁层的整个区域中流动，以及针对该区域变化时的情况估计电阻和电阻-变化具有什么关系。根据使用图20的左图中所示的简单模式的计算，磁头的电阻由下列表达式表示。
磁头的电阻＝电流路径的面积×电流路径的电阻-面积乘积+其他部分的电阻。当假定仅仅GMR-筛网的电流路径具有磁阻效应而进行计算时，它们的关系变为由图20的右曲线中的直线所描绘的那样。测量的值(开口圆圈)与模型计算的值很好的吻合，并且知道高温环境中的加速度测试的结果取决于GMR-筛网层(突出状铁磁金属)的电流路径的面积变化。
图21示出了当通过改变环境温度，类似地测量本发明的磁头电阻时，本发明的磁头电阻的时间-变化。知道电阻随时间减小，但是它减小的程度随着环境温度增加而变大。如果该电阻变化被规定为例如电阻减小5％的标准，那么在220℃的环境温度下，它是0.5分钟，在180℃下，它是62分钟，以及在150℃下，它是333分钟，意味着环境温度和时间之间的关系改变。
图22示出了环境温度和直到磁头的电阻减小5％的时间之间的阿列纽斯(Arrhenius)曲线中的关系的视图。在图22中，测量值位于直线上，即表示本发明的磁头的高温加速度测试的变化被热激活。由最小干均值平方方法获得的直线斜率对应于约2.3eV，这接近Co的自扩散能量。
由于本发明的磁头的GMR-筛网层通过Co或Co合金以及其氧化物形成，可以认为Co原子的热扩散决定本发明的磁头的寿命。如果这种精细结构被制造，那么不可能获得足够的可靠性，因为与普通扩散相比较，热-扩散是快速的，由界面散射和晶粒边界散射比率决定。但是，当图22所示的直线被外推时，很清楚，在与硬盘驱动器(HDD)的内部部分相同的自加热的70℃+60℃的条件下，本发明的磁头具有长于200年寿命。认为由于本发明的GMR-筛网层包括金属部分、氧化物部分以及其上下层具有高结晶性，以及变为其中这些部分的结晶性互相连续的结构，晶粒边界-扩散被抑制，以及GMR-筛网层在结构上是稳定的，导致实现高可靠性。
[参考数字的描述]
10：磁阻层薄膜
11：反铁磁性薄膜
12：非磁性中间层
13：软磁性自由层
14：底层
15：铁磁性固定层
151：第一铁磁性钉扎层
152：第二铁磁性钉扎层
154：反平行耦合层
160：GMR-筛网层
161：半-覆盖氧化层
162：突出状铁磁性金属
163：分离耦合层
164：结晶性非氧化层
165：结晶性氧化层
166：层状的铁磁性金属部分
167：前体铁磁性金属层
17：保护/间隙薄膜
35：下磁屏蔽-连同-电极
36：上磁屏蔽-连同-电极
371：下磁屏蔽
381：上磁屏蔽
40：电极
41：导电盖层
42：线圈
43：读间隙
46：高-矫顽力偏置薄膜
50：衬底
63：空气支承面
711：下导电间隙
721：上导电间隙
85：主磁极
86：返回磁极
90：磁头滑动器
91：记录介质
92：致动器
93：主轴
94：信号处理系统
95：磁盘
Claims (9)
1.一种磁阻读磁头，包括：
由软磁性自由层、非磁性中间层以及GMR-筛网层构成的层状结构，其中软磁性自由层的磁化方向对应于外部磁场而变化，
其中所述GMR-筛网层由铁磁性金属层和氧化层的复合体构成，所述氧化层具有覆盖所述铁磁性金属层的孔，在所述氧化层的孔中，中凸地填充所述铁磁性金属层，以及其中提供一种功能，该功能中通过部分地穿过所述孔部件，在薄膜厚度方向上的电流流动被限制，以及提供功能，该功能中对应于GMR-筛网层的磁化和所述软磁性自由层的磁化之间的相对角差产生磁阻效应。
2.一种磁阻读磁头，包括：
磁阻膜，具有软磁性自由层、非磁性中间层、GMR-筛网层、分离-耦合层、铁磁性固定层，其中该软磁性自由层的磁化方向对应于外部磁场而变化，GMR-筛网层由铁磁性金属层和氧化层的复合体构成，且在铁磁性固定层中磁化方向被固定在一个方向上，
在所述磁阻膜的薄膜厚度方向上流动电流的一对电极，
其中所述GMR-筛网形成在所述铁磁性固定层和所述非磁性中间层之间，以及所述GMR-筛网通过所述分离-耦合层与所述铁磁性固定层磁性耦合。
3.根据权利要求2的磁阻读磁头，其中
所述氧化层用孔覆盖所述铁磁性金属层，以及所述铁磁性金属层的部分通过所述氧化层的孔部分暴露给相邻非磁性中间层。
4.根据权利要求2的磁阻读磁头，其中
所述氧化层用孔覆盖所述铁磁性金属层，在所述氧化层的孔部分中，中凸地填充所述铁磁性金属层，以及所述铁磁性金属层通过所述氧化层的孔部分接触相邻非磁性中间层。
5.根据权利要求2的磁阻读磁头，其中
所述GMR-筛网层由Co、CoFe或Co合金及它们的氧化物的任意一种构成。
6.根据权利要求2的磁阻读磁头，其中
所述分离-耦合层是具有0.3至1.5nm厚度的Cu层。
7.根据权利要求2的磁阻读磁头，其中
通过所述GMR-筛网层，在存在所述氧化层的部分中和在所述氧化层的孔部分中，通过所述GMR-筛网层和所述软磁性自由层层叠的所述铁磁性固定层和非磁性中间层的晶粒结构或晶体优选取向是连续的。
8.根据权利要求2的磁阻读磁头，其中
所述GMR-筛网层的铁磁性金属层和氧化层都具有晶体结构，以及所述铁磁性固定层、所述非磁性中间层以及所述软磁性自由层的晶粒结构或晶体优选取向与所述GMR-筛网层连续。
9.一种磁阻性读磁头的制造方法，包括：
在衬底上依次形成底层、反铁磁性膜、第一铁磁性固定层、反平行耦合层、第二铁磁性固定层、分离-耦合层以及前体铁磁性金属层的过程；
用于部分地氧化所述前体铁磁性金属层的过程；
用于在所述部分地氧化的前体铁磁性金属层上依次形成非磁性中间层和软磁性自由层的过程；以及
此后，用于形成GMR-筛网层的过程，该GMR-筛网层具有这样的结构，其中通过退火所述前体铁磁性金属层，氧化层具有覆盖未-氧化层的孔。
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