CN101231851A - 磁头及磁记录再生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供适用于高记录密度磁记录再生的、噪声小的磁头。在非磁性导电层(101)上隔着第一绝缘层(103)形成固定层(102)，并在非磁性导电层的介质侧的面上隔着第二绝缘层(105)形成自由层(104)。其中，连接通过第一绝缘层在非磁性导电层与上述固定层之间使电流流通的电路(106)和在非磁性导电层与上述自由层之间用于测定电压的电路(107)。形成自由层的介质侧的面，可以是与介质表面大致平行的面，也可以是相对于介质表面倾斜的面。

Description

磁头及磁记录再生装置
技术领域
本发明涉及具有磁阻效应元件的磁头及磁记录装置。
背景技术
磁记录再生装置市场，要求提高记录密度每年超过40％，即使对于与该磁记录再生装置对应的磁记录再生磁头，涉及记录·再生的两个特性，也要求高性能化。其中，关于磁再生磁头，满足以下3个技术课题是重要的，即，高灵敏度化技术的提高、磁道宽度的狭小化技术的提高、再生间隙间隔的狭小化技术的提高。
近年来，兴起了有关自旋极化电流的相互作用的研究或装置开发。例如，如Electrical detection of spin precession in a metallic mesoscopic spin valve，F.J.Jedema et al.NATURE，VOL 416，pp713-716，18 April 2002所揭示的那样，自旋极化率为极化的自旋电流经过100nm以上的长距离进行传导，产生磁性相互作用的现象已被实际确认。他们制备了粗度不同的Co细线和与其垂直相交的Al细线，制成在Co细线与Al细线交叉的地方设置有氧化铝的屏蔽层的结构。此时，电流由粗的Co线流向Al线，因为在膜上外加磁场时电流不流通的另外的Co线与Al线之间产生了依赖于磁场的电位差，尽管细线的间隙超过500nm，仍确认有磁性相互作用。这是自旋极化电子在Al细线的界面部分蓄积的效应，由于蓄积的自旋极化电子分布在细线中的广泛区域而产生的，例如以Physical Review B，Vol.59，No.1，pp93-96、Physical Review B，Vol.65，054401，pp1-17所表示那样的形式来进行理论性理解。
总的来说，在该元件中，如果存在对于外部磁场的顽磁力不同的2个磁性体，存在对于一方的磁性体导电体的电位变化作为输出功率而产生的特征，该电位在2个磁性体的磁化为平行时和反平行时，具有极性分别不同的特征。在上述的结构中，磁性体为单纯的Co，是将其用Al连接的结构。该结构在室温下伴随磁场的变化可获得输出功率。
非专利文献1：NATURE，VOL 416，pp713-716，18 April 2002
非专利文献2：Physical Review B，Vol.59，No.1，pp93-96
非专利文献3：Physical Review B，Vol.65，054401，pp1-17
发明内容
对于将利用自旋极化电流相互作用的元件实际应用于磁头，降低本元件的噪声是重要的。通常，在磁传感器的噪声中，有起因于热的热噪声、电子隧道穿越势垒时产生的散粒噪声、伴随在高频下的磁化反转产生的电磁噪声。热噪声与元件磁阻有关，由于频率依存性小则值也小，基本上作为白噪声在任何装置中都时共同的。本装置基本上由于对电流流通具有势垒层而与TMR同样，推测具有热噪声的影响。特别地，认为电流直接流通的部分起到作为噪声产生源的作用。关于电磁噪声，是与使用磁性体及微细化体积变小相关而产生的，所以作为对策，不使用磁性体，或即使进行高密度化也必须将元件的体积保持在一定体积以上。
本发明的目的在于，选择适合实现这样特性的元件结构，提供比现有输出功率大的磁传感器及磁再生磁头。
在本发明中，在面向蓄积自旋极化电子的非磁性导电层的介质的端面上，形成了构成自由层的磁性体。通过该元件结构，即使再生间隙间隔狭小化，也可将构成自由层的磁性体的体积保持在一定以上，并可抑制电磁噪声。
本发明的磁头，具有非磁性导电层、在非磁性导电层上隔着第一绝缘层形成的固定层、在非磁性导电层的介质侧的面上隔着第二绝缘层形成的自由层、用于隔着第一绝缘层在磁性导电层与固定层之间使电流流通的电路、用于测定非磁性导电层与自由层之间的电压的电路。形成自由层的介质侧的面，可以是与介质表面大致平行的面，也可以是相对于介质表面倾斜的面。
通过本发明，可得到磁头，其与以往相比容易调整元件磁阻，而且，即使磁阻变化率非常高、高分解能化也有效且输出功率大。另外，通过使用该磁头，可实现面记录密度超过1000Gb/in2的磁记录装置。
附图说明
图1是表示本发明的基本的元件结构的概略图。
图2是自旋蓄积效果的原理图。
图3是自旋蓄积传感检测的原理图。
图4是表示本发明的再生磁头的结构的概略图。
图5是表示本发明的传感器主要部分与介质的位置关系图。
图6是表示本发明的传感器主要部分的结构的断面模式图。
图7是表示关于第二绝缘层与自由层的配置的平面模式图。
图8是表示固定层的结构例的图。
图9是表示磁屏蔽与元件的位置关系例子的模式图。
图10是表示本发明的再生磁头制备流程的一例的图。
图11是表示自由层的膜结构的图。
图12是表示磁能量与KV/kT的关系的图。
图13是表示自由层体积与KV/kT的关系的图。
图14是本发明的磁头的再生的基本结构。
图15是表示具有本发明的再生磁头和记录磁头的复合磁头的结构例的图。
图16磁记录再生装置的模式图。
符号说明
101  非磁性导电层
102  固定层
103  第一绝缘层
104  自由层
105  第二绝缘层
106  电源
107  电位差测定电路
301  介质表面
501  非磁性体
502  磁性体
504  磁性体
506  充电电流
507  自旋电子
801  反铁磁性体
802  磁性体
901  软磁性膜
902  软磁性膜
具体实施方式
以下，对采用本发明的磁头进行详细说明。
图1是表示本发明的基本的元件结构的概略图。该元件具有的结构是，线状的非磁性导电层101和作为第一磁性体的固定层102，与在非磁性导电层101上形成的第一绝缘层103相连接，并且在该非磁性导电层101的其它位置，作为第二磁性体的自由层104隔着第二绝缘层105与非磁性导电层101相连接。固定层102和非磁性导电层101与使电流流通的电源106相连接，使得电流经过固定层102和非磁性导电层101而流通。另外，还连接着测定自由层104与非磁性导电层101之间的电位差的电路107。
本发明的元件的结构上的特征，第一绝缘层103和第二绝缘层105不形成于构成非磁性导电层101的膜的同一表面上的不同位置，如图1所示，第二绝缘层105及在该膜上形成的自由层104，配置于将非磁性导电层101进行加工的断面位置。由此，自由层104的尺寸不仅在膜厚方向，也可在元件高度方向上延伸，使得自由层的有效体积变大，可降低起因于热磁化摆动的电磁噪声。
本元件是应用自旋蓄积现象作为工作原理。简单地说明该原理。作为简单例，如图2(a)所示沿箭头方向磁化的磁性体502与非磁性体501连接的结构中，如果电流不流通，则非磁性体501中存在没有自旋极化的自由电子。但是，如图2(b)所示通过界面而使电流流通、则电子(充电电流)506在电路内流通，另外，具有磁信息的自旋电子507在界面附近于交界产生滞留，在非磁性体501内的广泛区域内蓄积，这是自旋蓄积现象。该自旋电子扩展区域的尺寸D，与称为材料的自旋扩散长度的常数相关，并由非磁性体501的材料或纯度、结晶结构决定。例如理想状态的铜或铝，达到约1μm。
在这里，如图3(a)所示，在电路内电流流通的状态下，使另一个磁性体504接触非磁性体501。此时，充电电流506不由非磁性体501流到磁性体504。如图示磁性体504的磁化方向与磁性体502的磁化方向相同时，非磁性体501内蓄积的自旋电子507可进入磁性体504中。该状态表示电导通状态，因此二者成为大致相等的电位。另一方面，如图3(b)所示，磁性体504的磁化方向与磁性体502的磁化方向为逆向时，非磁性体501内蓄积的自旋电子507被磁性体504的界面反射，不能进入磁性体504中。这表示电绝缘状态，两者之间产生与化学势差相当的电位差。如果将该电位差考虑为电信号，在磁性层502和磁性层504中，通过分别具有如通常的自旋电子阀膜的固定膜和自由层那样的磁功能，可构成磁头那样的结构。该现象，在自旋扩散长度大的非磁性体导电材料中即使超过500nm时，自旋信息产生磁阻性的相互作用，如果距离短则相互作用变大、输出信号也指数函数性地增大。
在这里，对本发明元件的性能和显现效果的机理进行说明。本发明的磁头，如上述那样，是由利用自旋电流的蓄积效应的磁阻效应元件构成的。利用自旋电流的蓄积效应的磁阻效应元件具有以下机理，即，将由记录介质产生的磁场变化转换为电压变化信号，并获得输出功率。固定层102，为了将磁化固定而将反铁磁性体层和强磁性体层进行层叠，利用反铁磁性结合力将强磁性层的磁化固定在一个方向上。或者，通过改变膜厚或线宽等的形状、或采用不同种类的磁性体的材料等的方法，控制形状磁各向异性或结晶磁各向异性，从而给予高顽磁力。另外，自由层104为了保持单磁畴状态而成为以多种材料叠层化的结构，或者设置以下结构，即，隔着非磁性膜形成永磁体的膜，并通过静磁结合外加偏磁场的结构(封闭·磁力线·结构)等。另外，在自由层的周围，如图4所示适宜设置用于防止外部磁场影响的具有磁屏蔽功能的软磁性膜901、902。该屏蔽膜具有适度的软磁性，可防止串音(cross talk)等的外界扰乱。在图4的例中，磁屏蔽上下配置于元件膜的膜厚方向，如果是称为包围型屏蔽等的围绕元件周围的形状，屏蔽效果可进一步有效。
传感器结构与记录介质的位置关系示于图5。该图中省略表示磁屏蔽等。自由层104配置于介质表面最近的位置，受到来自记录信息204的记录磁场的影响而改变磁化方向。在此，对于介质的形状或记录方式没有特别限定。可适合使用垂直记录、面内记录、离散磁道(discrete track)介质、图案记录的任一个。在此，磁道宽度方向为201、元件高度方向为202、模厚方向为203。
图6表示在图5的非磁性导电层101的细线宽度的中心，沿元件高度方向切割的断面的结构例的图。301为介质表面。图6主要表示第二绝缘层105与自由层104的断面结构。
图6(a)与图1同样，斜切非磁性导电层101的端部，并在此形成第二绝缘层105与自由层104。图6(a)～(d)所示的结构例，以相对于元件高度方向完全不垂直相交的倾斜的角度在非磁性导电层101形成第二绝缘膜的面，如图6(e)所示，也可在元件高度方向大致垂直相交的非磁性导电层101的面上形成第二绝缘膜。图6(b)及图6(d)，是关于形成第二绝缘膜105的位置的代表例。另外，图6(c)，对于自由层104的形状，是在介质表面方向长度变大的形状。任一个构造例，都是在面向非磁性导电层101的介质的端面夹持第二绝缘膜105而形成自由层104的结构。
图7是表示从图5的元件上方(203的方向)看到的元件的结构例的图。磁屏蔽省略了图示。图7也是主要表示第二绝缘层105和自由层104的配置。
图7(a)表示，第二绝缘层105比非磁性导电层101的线宽大，而且，自由层104的与介质相对的面的高度位置，与非磁性导电层101大致一致的结构。图7(b)表示，自由层104的与介质相对面的高度位置，与非磁性导电层101相比向介质表面突出的结构。图7(d)表示第二绝缘层105的面积的变形例，第二绝缘层105的磁道宽度方向的宽度比非磁性导电层101的线宽小的例子。图7(c)表示自由层104与非磁性导电层101的位置关系的变形例，表示自由层104配置于偏离非磁性导电层101的磁道方向中心的位置的例子。图中，401表示与磁头的与介质相对方向的面，自由层104的周围用绝缘保护膜等覆盖。301表示介质表面。没有表示固定层102的详细的膜结构，只记载为磁性层。关于固定层102，如图8所示，是反铁磁性体801与磁性体802的叠层结构，或是含有这样叠层结构的层。但是，也可以是省略反铁磁性体803而使用FePt这样顽磁力大的材料的单层膜802，以这样的结构来构成第一磁性层。
图9是表示磁屏蔽与元件的位置关系例的模式图。具体的再生磁头具有如图9所示的断面形状。这是以图7(c)的元件结构作为代表例，在其膜厚方向的上下配置具有磁屏蔽功能的软磁性膜901、902。图9(a)表示软磁性膜901及902独立于自由层104的电位差测定电路107的结构。此时，与自由层104及非磁性导电层101进行电连接的电极，分别配置于概略纸面的里外方向。图中，该屏蔽软磁性膜901、902，只配置于自由层104的周边，但也可以是一直覆盖到固定层的形状。另外，图9(b)表示软磁性膜901、902分别和自由层104及非磁性导电层101进行电连接的结构。图9(c)是图9(a)的变形例，在纸面的里外方向延伸的电极膜903、904是断面可见的结构。另外，导电性膜周边的空间，可适宜被绝缘保护膜等填埋。
为了降低该元件的电磁噪声，磁性层的体积为一定以上是重要的。电磁噪声与磁性膜的磁化由于热而大幅摆动有关。因此，为了降低电磁噪声，作为构成静磁能量K(或E)的主要要素的饱和磁化能，对热稳定是重要的。对作为饱和磁化能的M2与KV/kt的关系进行计算，将标准化的M的变化示于图12。由此，KV/kt＞20、M2表现为大约90％以上，即使温度异常M2也大致稳定化。能够确保满足这些条件的膜体积V的元件结构是必须的。
图11是表示自由层104的膜结构的其他实施例的图。目前为止，自由层104是作为单一磁性体进行的说明，但如图11所示，自由层104作为多个磁性层1101、1103隔着中间层1102而叠层化的结构也是有效的。磁性层1101、1103，只要是指定作为磁性层材料的材料可任意组合。另外，中间层1102通常由诱导Ru等的费里叠层结合的材料构成。作为一例，磁性层1101为NiFe、中间层1102为0.85nm厚的Ru、1103为磁性层CoFe。
图11(a)表示在倾斜加工的非磁性导电层101的端部，与自由层104与势垒层105同时平行进行膜成长的例子。图11(b)为这样的例子，即，在倾斜加工的非磁性导电层101的端部隔着势垒层105形成磁性层1103，将该磁性层1103的端部加工成与介质表面大致平行，在此磁性层隔着中间层1102形成叠层并形成自由层104。该形态的自由层104，通过相互的磁性层进行反磁性地结合而使层间的静磁场结合变弱，同时考虑磁能量时的体积成为全部的膜的合计，可以很大。另外，由于作为自由层的行为主体大致由顶端部磁性层决定，可形成理想的自由层。
另一方面，非磁性导电层101所要求的特性是自旋扩散长度较长。其中认为，磁阻非常低、p电子或d电子的传导性高的材料是有效的。因此，由Cu、Au、Ag、Pt、Al、Pd、Ru、C、Mg、Ir、Rh构成的非磁性导电性金属或以GaAs、Si、TiN、TiO、ReO3为主成分的传导性的非磁性化合物是有效的。例如，使用Cu时通过降低Cu的残留磁阻，增大自旋扩散长度。超高真空中利用溅射法在SiO2基板上形成的Ta(膜厚3nm)/Cu(膜厚30nm)，作为3～4μΩcm的磁阻率的材料的自旋扩散长度为300～500nm，作为2μΩcm的低磁阻率的材料则超过700nm。选择磁阻率低或适当的材料的同时，采用上述那样降低磁阻的处理方法是重要的。
另外，作为构成固定层102、自由层104的材料，是由含有Co、Ni、Fe、Mn或以这些元素的至少1种作为主成分的合金或化合物构成的材料。可以考虑通常具有fcc结构的、软磁特性良好的Ni80Fe20、Co90Fe10及偏离这些组成几个百分点的范围内的材料，或者其中加入Cr、Ni、Co作为添加元素的材料。
进而，作为磁性层，至少在自由层侧的磁性层中，可适合采用由具有bcc结构的以Fe或Co50Fe50为代表组成的合金膜，或由包含具有非晶结构的Co与Fe的合金和B的化合物(CoFeB)、包含Co与Fe的合金和C的化合物(CoFeC)或Co与Fe的合金和N的化合物(CoFeN)构成的膜，以及将这些在100～不到400℃的范围内进行热处理的膜的组合。特别地，由这些磁性材料构成的自由层与中间层MgO相连接是重要的。在由MgO以外的势垒层材料构成的中间层中组合的自由层的磁性材料，可适合使用上述材料以及作为半金属效果大的磁性材料的CoFeCrAl等的惠斯勒(Heusler)合金或Fe3O4等的尖晶石化合物。
另外，构成绝缘层103、105的材料，可使用由包含Al2O3、AlN、SiO2、HfO2、Zr2O3、Cr2O3、MgO、TiO2、SrTiO3的至少一种的材料构成的单膜或叠层膜。特别地，在构成自由层的部位，如上述所示，优选通过与磁性层的组合使用结晶性MgO或结晶性SrTiO3。
这些材料，已知作为TMR元件显示隧道磁阻效应。利用高真空溅射装置，在Ta/Cu/Ta膜上形成1nm NiFe层、13nm MnPt层，在磁性层形成3nm(CoFe)60B40层、1nm MgO层，在磁性层形成3nm(CoFe)60B40层，在270℃外部磁场6kOe进行磁场中热处理时，可制成室温的磁阻变化为120％的膜。已有报导，通过将膜制备或元件制备的各种条件最佳化，可制备室温的磁阻变化超过200％的膜。
这形成了理想的自旋元件，该元件反映了在非晶膜上成长的MgO显示了良好的(100)取向，和隔着MgO的bcc类磁性材料自旋电子传导为非常高的自旋极化率。例如，在100％磁阻效应的情形下，磁性体为相同材料时，单纯成为58％的自旋极化率。
使用反铁磁性材料时，构成反铁磁性层801的膜中，有PtMn、CrMnPt、MnIr、NiO、PdPtMn等。这些是由从几nm到几十nm的各组成所决定的临界膜厚以上，而且，通过适当条件下的磁场中热处理使单向各向异性表现非常大，对于固定接合部分的固定层102的磁化是有效的。
关于自由层104的磁畴控制，采用适用于一般的GMR再生磁头的硬磁偏(Hard bias)方式时，在硬磁偏(Hard bias)中使用的永磁体隔着绝缘膜配置于元件膜的磁道宽方向的两端部，使用来自永磁体的漏磁通来减少在元件中的自由层的端部产生的微细的磁畴，可形成单方向定向的磁畴结构。作为其他的磁畴控制方式，在自由层或自由层与其连接的绝缘层的其他主面侧隔着非磁性膜设置永磁体。另外，作为膜的结构除此以外，通过形成由连接反铁磁性膜的软磁性膜构成的叠层膜，使用来自该永磁体或软磁性膜的端部的漏磁通、并使自由层104的磁畴定向的方式(CFS(Closed Flux Structure)方式)是有效的。元件尺寸在小于1μm×1μm的范围内，可以预想上述硬磁偏(Hard bias)的绝缘膜的绝缘性及磁畴控制磁场的精度显著降低。间隙间隔在小于50nm的区域，薄膜化成为课题，该方式有希望成为将来方式，对于本发明的膜结构非常有效。
实施例
实施例1
在SiO2基板或玻璃基板等通常使用的基板(包含氧化镁基板、GaAs基板、AlTiC基板、SiC基板、Al2O3基板等)上，使用真空溅射法、分子束外延法(MBE)等的膜形成装置而使元件的膜成膜。例如在RF溅射法的场合，在Ar氛围气中，约1～0.05Pa的气压、50W～1000W的功率下形成膜。形成元件的基体直接使用上述基板，或使用在这些基板上形成绝缘膜或适当的基底金属膜等的基板。
作为一例，图7(b)所代表的、固定层102隔着势垒层103连接非磁性导电层101，自由层104配置于非磁性导电层101与基板表面301之间的形状的元件制备方法如下所示。如图10(a)所示，在基体1000上形成下部屏蔽1001及绝缘膜1002，涂布光致抗蚀剂，使用电子束描绘等的平板印刷技术而形成接触孔的图案。这是为了在以后除去接触孔部分的绝缘膜1002，其可以是可能的图案结构。图示的接触孔1003部分通过氩离子研磨或活性离子蚀刻(RIE)切削而形成。在此，如图10(b)所示，形成了构成Cu等电极膜1004、固定膜和绝缘膜的叠层膜1005及非磁性膜1006。此时电极膜1004成为填埋接触孔的形状。接着，如图10(c)所示，涂布抗蚀剂，利用平板印刷技术，加工固定层部分的电极线连接1004。进而，加工由固定层的膜1005与非磁性层的膜1006构成的柱。
接着，如图10(d)所示，通过真空中的自由基离子喷淋等净化表面，在此，利用溅射法形成由与1006相同的材料构成的非磁性膜1007。该非磁性膜可以是在最表面具有保护膜的叠层膜。在其上涂布抗蚀剂，利用平板印刷方法制备如图所示的细线形状。在这个的场合，在微型柱形成后在整个面形成绝缘膜，通过提离法可进行柱1006的顶出。进而，也可以在形成非磁性膜1007以前，利用抗蚀剂与电子束描绘等的平板印刷方法形成具有细线形状的阳性图案(positive pattern)，之后再进行表面净化及形成非磁性膜1007，并可进行提离。
接着，如图10(e)所示，在制备的非磁性细线1007的ABS面近旁的部分，利用同样的平板印刷技术和加工方法切削与接触孔接触的部分。此时，通过倾斜加工形成元件的基板，加工断面成为倾斜的。在此，形成由绝缘膜和磁性膜构成的自由层1008，在顶端部进行加工使得磁道宽度Tw为正。由此，形成自由层的柱状图案1008。形成方法还可使用提离法。接着，如图10(f)所示，在该状态下形成绝缘保护膜1009，并在自由层的柱状图案1008的一部分，形成接触孔。接着进一步形成电极膜1010，并形成用于转接的细线。在其上形成绝缘膜1011。在此，形成框形状的抗蚀图案，并制备上部屏蔽用的磁性膜1012。抗蚀图案与膜的顺序即使相反也可同样地制备上部屏蔽1012。
以膜的观点看，作为自由层1008的结构除了单纯的磁性膜以外可考虑下述的结构。高真空中依次形成Ta(膜厚3nm)、反铁磁性膜(膜厚10nm)、CoFe膜(3nm)/Ru膜(0.85nm)/磁性膜CoFeB膜(膜厚3nm)、MgO膜(膜厚2nm)、Cu膜(膜厚10nm)、Ta膜(膜厚3nm)等的保护膜，形成这样的结构就是自由层的主要结构。括号内的膜厚为一例示。该磁性膜的结构是图10的磁性层1008为费里叠层结构。势垒层103的MgO膜是直接成长。在此使用ZnO或SrTiO时也是同样的。采用氧化铝的势垒层时形成铝膜，进行氧化处理。此时使用的氧化方法，可以是自然氧化、等离子氧化、自由基氧化及臭氧氧化等的一般氧化方法的任一种。在该膜上涂布抗蚀剂，通过使用I线分级器或电子束的平板印刷法，描绘100nm×100nm的磁性柱形状(固定层)102、103、101的一部分。在一边的长度成为细到数100nm以下的场合，因为I线波长分解能具有极限，因此通过ArF步骤、KrF步骤或电子束描绘法描绘形状。该膜是使用Ar离子的研磨装置进行研磨处理形成图案。该柱表面在真空中净化后，进而形成Cu膜和保护膜。由膜面内的与介质相对的面位置向制备的柱方向涂布抗蚀剂，从而形成孔状的图案，使用FIB斜切削膜。在其上形成MgO等的绝缘体膜，在其上形成CoFeB磁性层，制成保护膜，形成绝缘保护膜。其后，制备非磁性导电层101的细线，同时切削磁性层细线部，在其上形成保护膜，制成自由层104。由此细线的顶端部分夹持势垒层可形成磁性层。另外，如图9(a)重叠屏蔽901，或如图9(b)或图9(c)所示，在顶端部处理形成布线结构。在该制备中，可使用电子线描绘或分档器法、或者探针描画法。制备自由层的硬磁偏膜的场合，形成绝缘膜后，制备作为永磁体的CoCrPtZr等的膜，进而形成绝缘膜。其后，进行用于形成Co线(固定层)102的描绘，在进行表面净化处理后形成Co及NiFe等的软磁性膜、MnIr等的反铁磁性膜。
作为其他的制造方法，在形成元件的基体上，在高真空中形成下部屏蔽膜902(参照图9(b))、绝缘膜后，在其上形成由Cu膜构成的非磁性导电层101，然后利用电子束描绘法描绘第一电极层101的形状，利用研磨法形成，并在细线周围用绝缘保护膜进行填埋处理。其后，以在形成第一磁性层的部分开窗的形式描绘抗蚀剂，切削该部分的表面，追加形成Cu膜101、势垒层103、磁性膜(固定层)102、反铁磁性膜、保护膜氧化绝缘膜，通过进行提离法形成固定层102。此后，用抗蚀剂描绘形成第二磁性层的部分，通过FIB进行削入处理。该成孔操作，用研磨装置调整载物台和Ar离子的角度，即使进行局部研磨处理也可实现。这样在细线的端部可形成为倾斜的形状的导电性细线，在此，原位表面净化后形成绝缘层、磁性层。这样就可以进行提离法，进而在第二磁性层的顶端部，与介质相对方向的近旁可以微细描绘制造磁头顶端。
另一方面，还有这样的方法，即，不进行例如图6(a)～(d)中的对于基板表面部的倾斜切削，如图6(e)那样从介质对面在深度方向切削导电性细线，净化界面后，从介质对向面侧通过制模来形成势垒层103及自由层104，最终通过介质对面的研磨形成露出面。利用该方法，自由层104的断面结构成为图11(b)那样。此时，作为深度方向切削方法，可使用包含研磨、FIB、湿式蚀刻的任一种。
关于图1的结构，实际制造的再生磁头结构的代表例示于图14。其结构为：由Cu构成的宽5～30nm程度的线状的非磁性导电层101和由磁性体构成的固定层102连接在该导电体上形成的由Al2O3构成的第一中间层103，而且，在离开该非磁性导电层101的10～1000nm的位置上，具有由CoFeB构成的自由层104，该自由层105隔着中间层105连接非磁性导电层101。连接在该第一磁性体103和非磁性导电层101中流通电流的电源，使电流流过。进而，在这些元件的基体的膜厚方向的上下面，隔着绝缘膜配置具有磁屏蔽功能的软磁性膜901、902。在成为该上部屏蔽的软磁性膜901的上面，以记录用磁头定位的结构形成磁头。
非磁性导电层101的材质作为Co宽度为30nm×膜厚30nm时，该磁阻传感器的自由层104与Cu细线间产生的电位差V，如果忽略磁噪声则在实验时电流为1.0mA时约为2mV。但是，如果磁性膜的元件高度方向的长度为10nm且自由层104的形状为长方体，则磁性膜的体积为9×10-24m3。此时，EV/kT约为5000这样大。但是，在磁化低的或各向异性小的材料的情况下，约为1500。膜厚或宽度进一步微细化时，如表1中体积变小，EV/kT接近为20。表1是关于作为静磁能量E＝(2πMs2+K)＝8.3×105J/m3的NiFe材料，以及分别为E＝2.9×106J/m3、E＝2.2×106J/m3、E＝1×106J/m3的CoFe、Co、FePt，对温度300K时的体积与KuV/kT与磁性层体积的关系进行概述。
表1
元件宽×元件高×膜厚  自由层体积Vm3  EV/kT材料：NiFeK＝1E3 J/m3E＝8.3E5J/m3、  EV/kT材料：CoFeK＝4.5E4J/m3E＝2.9E6J/m3、  EV/kT材料：CoK＝4.5E5 J/m3E＝2.2E6J/m3、  EV/kT材料：FePtK＝1 E6 J/m3E＝1E6 J/m3、
30nm×100nm×30nm30nm×50nm×30nm30nm×30nm×20nm30nm×30nm×10nm20nm×10nm×10nm10nm×10nm×10nm7nm×7nm×2nm  9.00E-234.50E-231.80E-239.00E-242.00E-241.00E-240.9e-25  1800091003600180040020020  6300032000130006300140070069  480002400096004800110053052  1910095303810191042421220
此时，体积减少的同时，如图13所示磁化的作用能量急剧降低。图13，使用Ku不同的材料时，表示Ku/kT相对于膜的体积的变化。可实现的磁头自由层的体积，通过高密度化变小，通常与此对应引起指数相关性的体积减少，以及KuV/kT的减少。该场合，由于稍稍的热摆动可引起很大的输出功率变动。这是所谓的电磁噪声的作用。
为了抑制电磁噪声，比图13中的虚线所示20大的EV/kT是必要的，即确保磁性层的体积V为一定值以上是必要的。这如图12所示的那样，KuV/kT为20以下则磁化的摆动变大，由此减少了原来的磁矩。原子的磁矩为恒定，但显示摆动变大的影响较大。即，KuV/kT为20以下这样的条件，是作为伴随磁化摆动的噪声的电磁噪声有较大影响的条件。
但是，由于增大分解能是必要的，与Gs(屏蔽间隙间距离)相关的较高的膜厚是有限度的。1兆兆位(terabit)/平方英寸级程度的磁头，细线的宽度为25nm、膜厚为25nm以下是必要的。此时，导电性细线和磁性层进行叠层的形状，一直持续到与介质相对的面时，并磁性层膜厚假定为12.5nm时，由体积与KuV/kT的曲线图中超过20的条件进行换算，元件高度方向只要约为14nm以上的长度即可。但是，5兆兆位(terabit)/平方英寸的情况下，细线的宽度小于10nm、膜厚也小于10nm是必要的。此时，在导电性膜与磁性层已经叠层的结构状态下，不能维持结构体。因此，如果是这样的结构的情况下，即自由层在膜断面方向的部分接触导电膜，在与介质相面对的面上仅露出自由层可采用延伸元件高度方向的距离的结构，而且，可使体积为最大限度。此时，在体积与KuV/kT的曲线图中由超过20的条件进行换算时，只要元件高度方向具有25nm以上的长度即可。
关于图1的结构及图15的结构，是以使用磁性体CoFeB的场合为例。利用基板温度为室温的使用氩气的超真空溅射制膜法来进行膜的制备。使用CoFe与B的组成比为6∶4～8∶2，Co与Fe的组成比为1∶1～3∶1。此时，室温制备的膜的结晶结构成为所谓的非晶状态。另外，CoFeC、CoFeN等的CoFe-X类化合物也以同样的组成比成为非晶的结晶结构。在该膜上形成MgO膜。制备中使用MgO靶，与上述同样可采用使用氩气的超真空溅射制模法。MgO膜厚为0.6～2.5nm来制备。在该非晶膜上形成的MgO绝缘膜，进行(100)取向。在其上同样地形成CoFeB膜，再在其上形成反铁磁性膜等的膜，这样，制备1μm×1μm元件面积的元件，测定磁阻变化时，室温下显示100％程度的TMR。进而，通过将其在300～400℃的温度下进行热处理，室温下可制成显示250％以上的TMR的膜。在400℃以上，引起其他的合金膜破坏。此时，磁性层与势垒层发生结晶化，其状态可通过断面TEM照片来判断。作为其特征，在与磁化状态为平行与反平行的情况下，赋予电流对电压特性不同的特性。该场合，反铁磁性状态下势垒是有效的，势垒高度为0.2～0.5eV。这是氧化铝氧化物的势垒高度(0.8～1.4eV)的约一半这样低。进而，平行状态下大致直线的I-V特性，显示与金属性相近的行为。因此，在该元件中采用MgO和CoFeB和与其相类似的种类，在先前的指定减少噪声的电极位置的基础上，是非常有效的。
与由MgO以外的指定的势垒层材料构成的中间层相组合的自由层的磁性材料，不采用CoFeB，而采用上述较多的半金属(half metal)效应大的磁性材料。此时，作为构成中间层的材料的特征是，由包含Al2O3、AlN、SiO2、HfO2、Zr2O3、Cr2O3、MgO、TiO2、SrTiO3的至少一种的材料构成的单膜或叠层膜。特别地其特征在于，在构成自由层的部位，如上述所示，通过与磁性层组合来使用结晶性MgO或结晶性SrTiO3。例如，SrTiO3的场合，势垒高度约为0.05～0.1eV。
图15是本发明的磁头结构。再生磁头部分及与介质的位置关系与图4及图5同样。图中，表示装载垂直记录磁头的一种作为记录磁头的情形。在成为再生磁头的上部磁屏障的软磁性膜901的上面，设置旁轭(returnyoke)兼记录框1501，在其上设置记录用磁极1502。作为该记录磁头材料适合是饱和磁束密度大(2.0T以上)、适度低效率的大的材料。本发明中，该记录磁头结构可装载现有任意技术，制备作为组合的磁头结构。另外，没有由此引起的再生密度的功能上的变化。
图16，是本发明使用磁头的磁盘装置的概略图。图示的磁盘装置具有，作为磁记录介质的磁盘1601、用于数据的读取、实施写入的装载了本发明的磁头1610的滑块1606、使磁头1610向磁盘1601上的规定位置移动的驱动器1611、读取、写入磁头的数据的收发及控制驱动器的移动等的控制手段。可旋转的磁盘1601通过旋转轴1602支持、通过驱动用电机1603进行旋转。磁盘1601旋转的同时，通过滑块1606在磁盘表面移动，接近作为目标的要记录数据的规定位置。控制手段1612，通过各线收发控制信号，并且控制磁盘装置的各种构成手段。
本发明通过在本磁记录装置中装载磁阻效应元件，使再生密度超过1000Gb/in2区域的磁记录再生成为可能。

Claims (9)

1.一种磁头，其特征在于，具有：
非磁性导电层；
隔着第一绝缘层在所述非磁性导电层上形成的固定层；
隔着第二绝缘层在所述非磁性导电层的介质侧的面上形成的自由层；
用于隔着所述第一绝缘层在所述非磁性导电层与所述固定层之间使电流流通的电路；以及
用于测定所述非磁性导电层与所述自由层之间的电压的电路。
2.根据权利要求1所述的磁头，其特征在于，至少以夹持所述自由层的形式形成磁屏蔽。
3.根据权利要求2所述的磁头，其特征在于，所述磁屏蔽具有导电性，并构成所述用于使电流流通的电路和/或用于测定电压的电路的一部分。
4.根据权利要求1所述的磁头，其特征在于，所述介质侧的面是与介质表面大致平行的面。
5.根据权利要求1所述的磁头，其特征在于，所述介质侧的面是相对于介质表面倾斜的面。
6.根据权利要求1所述的磁头，其特征在于，所述固定层中在与所述第一绝缘层相接面的对侧的面上，形成了用于将该固定层的磁化固定在一个方向上的膜。
7.根据权利要求1所述的磁头，所述自由层是将金属膜与磁性膜交替进行层叠的多层膜。
8.根据权利要求1所述的磁头，其特征在于，所述自由层，其通过饱和磁化和磁各向异性计算的静磁能与体积的乘积，是以玻耳兹曼乘数倍的绝对温度所表示的室温温度能量的20倍以上。
9.一种磁记录再生装置，其特征在于，
具有：磁记录介质；驱动所述磁记录介质的介质驱动部；对所述磁记录介质进行记录再生操作的磁头；将所述磁头驱动至所述磁记录介质的要求位置的磁头驱动部；
所述磁头具有：非磁性导电层；隔着第一绝缘层在所述非磁性导电层上形成的固定层；隔着第二绝缘层在所述非磁性导电层的介质侧的面上形成的自由层；用于隔着所述第一绝缘层在所述非磁性导电层与所述固定层之间使电流流通的电路；用于测定所述非磁性导电层与所述自由层之间的电压的电路。
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