CN1215878A - 具体作为磁通引导的读出层的磁性隧道结磁阻读出磁头 - Google Patents

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Abstract

一种用于磁性记录系统的磁性隧道结(MTJ)磁阻读出磁头,具有MTJ读出或自由铁磁体层,该层也起着一个把磁通从磁记录媒体引导到隧道结上来的磁通引导装置的作用。该MTJ固定铁磁体层的前面边沿从磁头的读出表面凹进。固定和自由铁磁体层两者都和MTJ隧道势垒层的相对表面接触,但自由铁磁体层伸出到或者是隧道势垒层或者是固定铁磁体层的后面边沿之外。固定铁磁体层的磁化方向一般被固定在垂直于读出表面因而也垂直于磁记录媒体,最好是采用和反铁磁体层进行界面间交换耦合的办法。

Description

具有作为磁通引导的读出层的 磁性隧道结磁阻读出磁头
本申请涉及同时提出的两个系列中请。一个申请的编号为08/957788，名称为“MAGNETIC TUNNEL JUNCTION MAGNETORESISTIVEREAD HEAD WITH SENSING LAYER AS REAR FLIX GUIDE”(‘具有作为后方磁通引导的读出层的磁性隧道结磁阻读出磁头’)，另一个系列申请的编号为08/957787，名称为“MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONMAGNETORESISTIVE READ HEAD(‘屏蔽式磁性隧道结磁阻读出磁头’)。
本发明涉及磁性隧道结(MTJ)设备，特别是涉及用作供读取磁记录式数据用的磁阻(MR)磁头的MTJ设备。
一个磁性隧道结设备由被一个薄的绝缘隧道势垒层分隔开的两个铁磁体层构成，且以旋转极化电子隧道现象为基础。铁磁体层之一在外加磁场的一个方向上有比另一铁磁体层高的(典型地说是由其较高的磁矫顽力引起的)饱和磁场。该绝缘隧道势垒层足够地薄，使得在铁磁体层之间存在着量子力学隧道。隧道现象是决定于电子旋转的，使得MTJ的磁响应成为两个铁磁体层的相对取向和旋转极化的函数。
MTJ设备已被推荐为主要用作固态存储器的存储单元。MTJ存储单元的状态由当读出电流从一个铁磁体层到另一个铁磁体层垂直地通过MTJ时测量MTJ的电阻来决定。电荷载流子形成隧道穿过绝缘隧道势垒层的概率取决于两个铁磁体层的磁矩(磁化方向)的相对定向。隧道电流是旋转极化的，这意味着从一个铁磁体层(例如，其磁矩是固定的或防止转动的层)通过的电流，主要由一种旋转类型的(顺时针旋转或逆时针旋转，取决于铁磁体层的磁矩的方向)的电子组成。隧道电流的旋转极化的程度由在铁磁体层和隧道势垒层的交界处组成铁磁体层的磁性材料的电子能带构造决定。第1铁磁体层例如用作旋转滤波器。电荷载流子形成隧道的概率取决于和在第2铁磁体层中电子电流的旋转极化相同的旋转极化的电子状态的可利用性。通常，当第2铁磁体层的磁矩和第1铁磁体层的磁矩平行的时候，将比第2铁磁体层的磁矩被排列为和第1铁磁体层的磁矩反向平行时有更多的可用的电子状态。因此，在两个层的磁矩平行时，电荷载流子形成隧道的概率最高，而当两个磁矩反向平行时最低。在磁矩既不是平行也不是反向平行时，形成隧道的概率取中间值。因此MTJ存储单元的电阻取决于两个铁磁体层中的电流的旋转极化和电子状态。结果是，其磁化方向是不固定的铁磁体层的两个可能的磁化方向独特地定义存储单元的两个可能的位状态(0或1)。
一个磁阻(MR)传感器通过由磁性材料制作的敏感元件的电阻的变化，作为正被敏感元件感知的磁通量的强度和方向的函数，检测磁场信号。现有的MR传感器，诸如那些在磁记录式磁盘驱动器中用作供读取数据用的MR读出磁头，它的工作是以磁性材料(典型的是透磁合金(Ni81Fe19)的各向异性磁阻(AMR)效应为基础的。读取元件电阻的一个分量随着读取元件中的磁化方向和通过读取元件的读出电流的方向之间的角度余弦的平方而变化。由于来自已进行了记录的磁性媒体(信号场)的外部磁场可在读取元件的磁化方向上引起一个变化，而这一变化又反过来在读取元件的电阻中产生一个变化，以及在已读出的电流或电压中的相应的变化，故已记录的数据可以从一个磁性媒体(诸如磁盘驱动器中的磁盘)中读出来。在现有的MR读出磁头中，与MTJ设备比较，读出电流是在平行于读出元件的铁磁体层的方向上。
就如在美国专利5390061中所述，提出了应用一种MTJ设备作为供磁性记录用的磁阻读出磁头。在该其各自的MTJ读出磁头中，自由铁磁体层，隧道势垒层和固定铁磁体层都具有其各自的暴露在磁头的读出表面，即，空气-轴承浮动块的空气-轴承表面(ABS)上的边沿，如果该MTJ磁头被用在磁记录磁盘驱动器中的话。已经发现，当MTJ磁头重叠起来形成ABS时，来自自由和固定铁磁体层的材料将在ABS上混合，而且使该隧道势垒层短路。此外，用来固定固定铁磁体层的许多反铁磁体都包含锰(Mn)，在ABS重叠工艺期间，锰可以起腐蚀作用。隧道势垒层通常由铝氧化物形成，在ABS重叠工艺期间，铝氧化物也可以起腐蚀作用。
现在需要的是一种供磁记录系统用的MTJMR读出磁头，这种磁头不会遭受到那些MTJ层的边沿暴露在读出表面上的磁头所具有的问题的损害。
本发明提供了一个用于磁性记录系统的MTJ MR读出磁头，其中，自由铁磁体层也用作一个磁通引导装置以使磁通从磁记录媒体通到隧道结。在一个磁记录磁盘驱动器的实施例中，固定铁磁体层具有从ABS凹进去的前边沿，而自由铁磁体层的读出端则在ABS上暴露了出来。隧道势垒层的前边沿也可以从ABS凹进去。固定和自由铁磁体层两者都和隧道势垒层的相对表面接触，但是自由铁磁体层则伸出到隧道势垒层或固定铁磁体层之外，不论哪一个的后边沿更为靠近读出表面。这将保证在隧道结区域内磁通为非零。固定铁磁体层的磁化方向一般被固定在垂直于ABS因而也垂直于磁盘表面的方向，最好是采用和反铁磁体层进行界面间交换耦合的办法。自由铁磁体层的磁化方向，在没有外加磁场时通常被排列在平行于ABS的表面的方向，而在有来自于磁记录磁盘的外加磁场时则其磁化方向自由旋转。一个与自由铁磁体层的侧面相邻的高矫顽力硬磁材料层纵向地把自由铁磁体层的磁化方向偏置向优选(易磁化)方向。
该MTJ MR读出磁头可以形成为集成化读/写磁头构造的一部分，在该构造中有位于MTJMR读出磁头的两侧的导电性的磁屏蔽。供读出电路用的电引线形成在两个屏蔽上，使得提供一个从屏蔽通过该引线到隧道结的固定和自由铁磁体层的通电路径。
为了更为完整了解本发明的性质和优点，在参照附图的同时，参考下述详细的说明。
图1是供与本发明的凹进式MTJMR读出磁头一起使用的现有的磁性记录磁盘驱动器的简化框图。
图2是拿掉机壳的图1的驱动器的顶视图。
图3是现有的集成化电感式写入磁头/具有位于屏蔽之间并与供说明本发明的MTJMR读出磁头应该定位于何处的电感式磁头相邻的MR读出磁头的MR读出磁头的纵剖面图。
图4是通过本发明的MTJMR读出磁头的隧道结的剖面图，用于说明通过隧道结的电流的垂直方向。
图5是凹进式MTJMR读出磁头的剖面图，该图示出了各层相对读出磁头的读出端的相对位置。
图6A-6N说明了本发明的凹进式MTJ MR的制造步骤。
图7为读出表面的视图，该图画出了读出铁磁体层的前边沿和纵向偏置铁磁体层的边沿。
参照图1。图中示出了应用一个MR传感器的现有的磁盘驱动器的剖面图。该磁盘驱动器有一个基座10，在其上边固定有一个磁盘驱动电机12和一个传动器14，和一个罩子11。基座10和罩子11给驱动器提供了一个基本上已密封起来的机壳。一般在基座10和罩子11之间有一个垫圈13和一个小的通气口(未画出来)，以平衡磁盘驱动器内部和外部环境之间的压力。磁性记录磁盘16通过毂盘18连接到驱动电机12上，磁盘连接到毂盘18之上是为了利用驱动电机12使它转动。磁盘16的表面上有一层薄的润滑膜50。一个读/写磁头或者变换器25形成在磁头支架(例如空气轴承浮动块20)的末端。就如将在图3中说明的那样，变换器25是一由电感式写入磁头部分和MR读出磁头部分构成的读/写磁头。浮动块20利用一个刚性臂22和一个悬臂24连接到传动器14上。悬挂物24提供一个偏置臂力把浮动块20推到记录磁盘16的表面上。在磁盘驱动器工作期间，驱动电机12以恒定的速度转动磁盘16，而一般是一线性或旋转话音线圈电机(VCM)的传动器14，通常在径向方向上移动浮动块20使之穿过磁盘16的表面，使得读/写磁头25可以访问磁盘16上边的不同的磁道。
图2是拿掉罩子11的磁盘驱动器的内部的顶视图，该图更好地说明对浮动块20提供一个力把磁盘16往前推的悬臂24。该悬臂可以是现有类型的悬臂，诸如IBM公司在美国专利4167765中所述的那种人们所熟悉的Watrous悬臂。这种类型的悬臂还提供一种浮动块的万向接头式的附加物，它使得浮动块在它被放到空气轴承上的时候可以倾斜和旋转。用变换器25从磁盘16上检测到的数据，借助于定位在臂22上的集成电路芯片15中的信号放大和处理电路被加工成数据回读信号。来自变换器25的信号通过柔软电缆17被送往芯片15，芯片15把其输出信号通过电缆19送往磁盘驱动器电子电路(未画出来)。
图3是由MR读出磁头部分和电感式写入磁头部分组成的集成化读/写磁头25的剖面图。磁头25重叠起来以形成一个空气-轴承表面(ABS)，该ABS借助于前边讨论过的空气轴承与旋转磁盘16(图1)的表面分隔开来。读出磁头包括一个夹在第1和第2间隙层G1和G2之间的MR传感器40,G1和G2又依次被夹在第1和第2磁屏蔽层S1和S2之间。在普通的磁盘驱动器中，MR传感器40是一个AMR传感器。写入磁头包括一个线圈层C和被夹在绝缘层I1和I3之间的绝缘层I2,I1和I3又依次被夹在第1和第2磁极片P1和P2之间。在磁极顶端上邻近ABS的第1和第2磁极片P1、P2之间夹有一个间隙层G3，为的是提供一个磁间隙。在写入期间信号电流通过线圈层C传导，而在第1和第2磁极层P1、P2中感应出磁通，使得磁通在ABS上穗状地穿过磁极顶端。在写入操作期间，磁通使旋转磁盘16上边的圆形磁道磁化。在读出操作期间，旋转磁盘16上边的已磁化区把磁通引进到读出磁头的MR传感器40中去，使得MR传感器40中电阻变化。这些电阻变化，用检测MR传感器40上的电压变化的办法进行检测。用芯片15(图2)和驱动器电子电路对该电压变化进行处理并变换成用户数据。示于图3的组合式磁头25是一个‘结合式’磁头，在该磁头中，读出磁头的第2屏蔽层S2被用作写入磁头的第1磁极片P1。在背负式磁头(没有画出来)中，第2屏蔽层S2和第1磁极片P1是分开的层。
对具有AMR读出磁头的典型的磁性记录磁盘驱动器的上述叙述以及附图1～3仅仅为了进行说明。磁盘驱动器可以包括许多的磁盘和传动器，而且每一传动器都可以支持许多浮动块。此外，不用空气轴承浮动块而代之以用这样的磁头支架，该支架例如象在液体轴承和其他接触和近乎接触记录磁盘驱动器中那样，保持磁头与磁盘接触或近乎接触。
本发明是一种具有MTJ传感器的MR读出磁头，用来代替图3中的读/写磁头25中的MR传感器40。
图4是本发明的一个实施例的MTJMR读出磁头的剖面图，如果通过一个其边沿在图3中被画成线42的平面来剖开并从磁盘表面看过去，就是这样的图。因此，图4的纸面是一平行于ABS的平面而且基本上通过有效读出区，即通过MTJMR读出磁头的隧道结，以展现出形成磁头的那些层。
参看图4,MTJMR读出磁头包括一个形成于间隙层G1衬底上的电引线层102，在间隙层G2下边的电引线层104，和作为一个层的叠层形成于电引线层102、104之间的MTJ100。
MTJ100包括一个第1电极多层叠层110，一个绝缘隧道势垒层120，和一个顶部电极叠层130。每一电极包括一个直接与隧道势垒层120接触的铁磁体层，即铁磁体层118和132。
形成在电引线层102上边的基底电极层叠层110包括一个在电引线层102上边的种子(seed)层或者‘模板(template)’层112，在模板层112上的反铁磁体材料层116和一个形成在上边且与在下边的反铁磁体层116形成为交换耦合式的‘固定’的铁磁体层118。该铁磁体层118被称作固定层，因为其磁矩或者磁化方向，在希望范围内加上磁场时保持为不转动。顶部电极叠层130包括一个‘自由’或‘读出’铁磁体层132，和形成在读出层132上边的保护性的层或覆盖层134。读出铁磁体层132被非交换耦合到一个反铁磁体层上，因此其磁化方向在加上所希望的范围的磁场时是自由旋转的。读出铁磁体层132被制造为使得把它的磁矩或磁化方向(用箭头133表示)通常定向为与ABS平行(ABS是一平行于图4的纸面)，而且，在未加磁场时通常垂直于固定铁磁体层118的磁化方向。在电极叠层110中，正好位于隧道势垒层120下边的固定铁磁体层118，其磁化方向已借助于与下边紧挨着的反铁磁体层116进行界面交换耦合进行固定，反铁磁体层116也形成为底部电极叠层110的一部分。固定铁磁体层118的磁化方向通常被定向为与ABS垂直，即在图4中从纸面中出来或者进入纸面(如箭尾119所示)。
在图4中，还示出了一个用于对读出铁磁体层132的磁化进行纵向偏置的偏置铁磁体层150，一个使读出铁磁体层132和偏置层150分开并绝缘的绝缘层160，和MTJ100的其他的层。偏置铁磁体层150是一种硬磁材料，例如CoPtCr合金，在未加磁场的情况下，其磁矩(用箭头151表示)被排列在与读出铁磁体层132的磁矩133相同的方向上。绝缘层160，最好是氧化铝(Al2O3)或二氧化硅(SiO2)，具有足够使偏置铁磁体层150与MTJ100和隔离层102、104电绝缘的厚度，但是该厚度又足够地薄使得可以与读出铁磁体层132进行静磁耦合(用虚线箭头153表示)。偏置铁磁体层150的乘积M*t(其中，M是在铁磁体层中材料的单位面积的磁矩，t是铁磁体层的厚度)必须大于或等于读出铁磁体层132的M*t，以确保稳定的纵向偏置。由于一般被用在读出铁磁体层132中的Ni(100-x)-Fe(x)(x近似等于19)的磁矩大约是适合于用作偏置铁磁体层150的典型的硬磁材料(诸如Co75Pt13Cr12)的2倍，故偏置铁磁体层150的厚度至少是读出铁磁体层132的近乎两倍。
读出电流I从第1导电引线102垂直地通过反铁磁体层116、固定铁磁体层118、隧道势垒层120和读出铁磁体层132，然后通过第2电引线104输出。如上所述，通过隧道势垒层120的隧道电流的量，是与隧道势垒层120相邻和相接触的固定和读出铁磁体层118、132的相对磁化方向的函数。来自已记录下来的数据的磁场使得读出铁磁体层132的磁化方向旋转偏离方向133，即，从图4的纸面进入或出来。这将改变铁磁体层118、132的磁矩的相对取向，因此将改变隧道电流的值，这种改变反映出MTJ100的电阻的改变。电阻的这一改变用磁盘驱动器电子电路进行检测并被处理成来自磁盘的回读数据。该读出电流被电绝缘层160阻隔为不能到达偏置铁磁体层150，电绝缘层160也把偏置铁磁体层150与电引线102、104隔离开来。
现在说明供MTJ100(图4)用的有代表性的材料的配置。MTJ100的所有的层都在加上与衬底平行的磁场的情况下生长。该磁场用于给所有的铁磁体层的易磁化轴定向。一个5nm的Ta种子层(未画出来)首先形成于一个用作电引线102的10-50nm Au层上。种子层由促进面心立方(fcc)Ni81Fe19模板层112的(111)生长的材料组成。模板铁磁体层112促进反铁磁体层116的生长。合适的种子层材料包括诸如Cu和Ta之类的fcc材料或诸如3-5nmTa/3-5nmCu之类的组合材料。MTJ基底电极叠层110由生长在10-20nm Au层102上边的Ta种子层上边的4nm Ni81Fe19/10nm Fe50Mn50/8nm Ni81Fe19(分别为层112,11 6,118)的叠层构成。Au引线层102形成于用作衬底的铝间隙材料G1上边。其次，隧道势垒层120由淀积法形成，接着等离子体氧化一个0.5-2nm的Al层。这将形成Al2O3绝缘隧道势垒层120。顶部电极叠层130是一个5nm Ni-Fe/10nmTa叠层(分别为层132,134)。Ta层134用作保护性覆盖层。顶部电极叠层130通过一个用作电引线层104的20nm Au层进行接触。
注意，由于在MTJ100中电流垂直通过多个层，故MTJ设备的电阻将因隧道势垒层120而处于主要地位。因此，导电引线102、104的每一单位面积的电阻可以大大高于通常的电流平行于那些层流动的MR读出磁头的电阻。因此，引线102、104可以作得比通常的MR磁头构造更薄和/或更窄，和/或可以用从本质上说更为电阻性的材料，诸如合金或元素的组合来制作。
重要的是在底部电极叠层110中的那些层应当平滑，并且Al2O3绝缘隧道势垒层120没有使结电短路的针孔。例如，用熟悉的溅射技术来进行生长以求在金属多层叠层中产生良好的巨大的磁阻效应是能够胜任的。
一种替代的读出铁磁体层132可以在读出铁磁体层132和隧道势垒层120之间的界面上由薄的Co或Co(100-x)Fe(x)或Ni(100-x)Fe(x)(x近似为60)层构成，并且层132体具有低的磁致伸缩(例如Ni(100-x)Fe(x)(x近似为19))。具有一个薄的Co或Co(100-x)Fe(x)或Ni(100-x)Fe(x)(x近似为60)的界面层的这种类型的读出层的净磁致伸缩，采用稍微改变层132的组分的办法，被安排为具有接近于0的值。一个替代的固定铁磁体层118可以在具有隧道势垒层120的界面上，主要地由具有一个薄的Co或Co(100-x)Fe(x)或Ni(100-x)Fe(x)(x近似为60)层的体Ni(100-x)Fe(x)层构成。用Co或者具有最高极化率的Ni(100-x)Fe(x)(x近似为60)或者Co(100-x)Fe(x)合金(x近似为70)可以得到最大的信号。界面层最好是约1-2nm厚。组合层的净磁致伸缩采用使组分进行微小变化的办法，被安排为接近于0。如果层118的主体是Ni-Fe，那么组分就是Ni81Fe19，对于该组分，体Ni-Fe具有0磁致伸缩。
Fe-Mn反铁磁体层116可以用Ni-Mn层或其他合适的反铁磁体层代替，这些层交换偏置在固定层118中的铁磁体材料，且具有实质上小于Al2O3势垒层120的电阻的电阻。此外，虽然在优选实施例中，固定铁磁体层的磁矩已被界面上的交换耦合用一个反铁磁体层固定，该固定铁磁体层可以用从磁性上说‘硬的’高矫顽力材料形成，以避免需要一个反铁磁体层。因此，硬固定铁磁体层可以由各种铁磁体材料，诸如Co和一个或多个元素的合金，包括Co-Pt-Cr合金，Co-Cr-Ta合金，Co-Cr合金，Co-Sm合金，Co-Re合金，Co-Ru合金和Co-Ni-X(X=Pt,Pd，或Cr)合金，以及诸如Co-Ni-Cr-Pt和Co-Pt-Cr-B之类的各种四元素合金形成。
虽然已经说明并示于图4的MTJ设备在MTJ100的底部上边具有固定铁磁体层，该设备也可以用首先淀积读出铁磁体层，接着淀积隧道势垒层，然后淀积固定铁磁体层和反铁磁体层的办法形成。于是，这样一种MTJ设备将具有实际上与示于图4的MTJ100颠倒过来的层。
现在参照图5。图5以垂直于图4的视图的剖面的形式示出了本发明的凹进式MTJ MR磁头，该磁头在右边具有读出表面200或ABS。为便于说明，没有画出偏置铁磁体层150，而且在MTJ100中仅仅示出了铁磁体层，反铁磁体层和隧道势垒层。读出铁磁体层132具有一个读出边沿202和一个后面边沿203，读出边沿202基本上和读出表面200或ABS在同一平面上。固定铁磁体层118具有一个前面边沿206和后面边沿208，前面边沿206从读出表面200凹了进去。反铁磁体层116具有和固定铁磁体层118相连的边沿。隧道势垒层120具有一个前面边沿210和一个后面边沿212，前面边沿210也从读出表面凹了进去，且实际上和固定铁磁体层118的前面边沿206在一个平面上。引线102形成在G1间隙层并且间隙层G2使引线104与磁屏蔽S2分开。G1和G2及在边沿202、206和读出表面200之间的区域上的材料是电绝缘材料，最好是铝。就像人们在磁盘接触中保护磁头的技术中所熟知的那样，读出表面200或ABS在其上边可以具有一个保护性的覆盖层，诸如无定形金刚石类(diamoni-like)炭。
凹进式MR传感器，诸如示于图5的MTJMR读出磁头那样，应用了一个把磁信号引向有效读出区域的磁通引导装置的该传感器将有一个减小了的灵敏度，这是因为入射磁通在到达有效读出区域之前漏泄到磁屏蔽上了。这种漏泄由屏蔽间隙宽度g，导磁率μ和在本发明中也用作磁通引导装置的自由铁磁体层厚度t决定。磁通随着特征长度(μtg/2)0.5而衰退。对于5Gbit/in2传感器典型的参数是g=200nm，t=5nm和μ=1000。这将得到0.7微米的衰退长度。对于有效读出长度从ABS凹进去0.35微米的传感器来说，在读出区域上输入磁通的近乎60％是可以利用的。因此，对于一个传感器来说，20％的ΔR/R的典型值，在本发明的凹进式MTJ MR读出磁头中将减小到大约12％。
在示于图5的优选实施例中，只有自由铁磁体层132和引线104在ABS200上暴露了出来。固定铁磁体层118的前面边沿206要从ABS200凹进去以防止当磁头重叠到ABS上的时候可能会出现的MTJ传感器的任何短路。此外，因为隧道势垒氧化层120和可以用于约束(pin)固定铁磁体层118的磁矩的反铁磁体层116也是从ABS200凹进去，所以这些层并不暴露出来，因此不大会受到腐蚀。
具有把自由铁磁体层132用作磁通引导装置的凹进式MTJMR磁头的另一优点是本身是MTJMR磁头的有效读出区的隧道结，如果被定位在ABS上，则可以比别的情况下更大。这是因为自由铁磁体层132磁通引导装置可以以宽度朝向ABS的形式逐渐变细，使得其在ABS上的宽度小于其和隧道势垒层210接触的那些区域上的宽度。因此，隧道结(隧道势垒层210的宽度)可以比ABS上的自由铁磁体层的宽度还宽，使得由于其面积大，故隧道结可以达到一个更低的电阻。对于MTJ设备来说，电阻随着隧道介面积的倒数而变化，因为电流垂直的通过结。为了改善信号噪声，较低的电阻是更好的。
在示于图5的优选实施例中，自由铁磁体层磁通引导装置132的后面边沿203位于隧道结的后面边沿，即分别为固定铁磁体层118和隧道势垒层120的后面边沿208和212之外。具有伸过固定铁磁体层后面边沿208和隧道势垒层后面边沿212的磁通引导装置是有好处的，因为在屏蔽式磁通引导装置中，在引导装置的后面边沿上磁通传播衰减到零。因此，在本发明的凹进式MTJ MR读出磁头中，在那些自由铁磁体层132分别伸出到固定铁磁体层118和隧道势垒层120之外的地方，在隧道势垒层120和固定铁磁体层118的后面边沿上磁通将有一个有限的值。因此，在自由铁磁体层中在有效区域即在隧道结区域内平均磁通将大于那种如果自由铁磁体层的后面边沿与固定铁磁体层和隧道势垒层的后面边沿重合时的磁通。这允许在有效读出区内有较大的信号，因为磁通在有效读出区之外的点上衰减到零。由于电流垂直隧道结流动，因此对于形成隧道结一部分的磁通引导装置的部分没有电流被伸出到隧道结之外的自由铁磁体层的部分分路出去。虽然在图5的优选实施例中隧道势垒层210和固定铁磁体层118的后面边沿212、208分别是共面的，但是它们并不需要一定是共面的，只要自由铁磁体层132的后面边沿203与读出表面200的距离较后面边沿212、208中任何一个距离读出表面200更远即可。这是因为垂直流过隧道势垒层210的电流是由后面边沿212、208中的任何一个更靠近读出表面200的哪个来确定的。因此，读出铁磁体层132的后面边沿203被定位为比隧道势垒层210的后面边沿212更远，如果后面边沿212比固定铁磁体层118的后面边沿208更靠近读出表面200的话。同样，读出铁磁体层132的后面边沿203被定位为比固定铁磁体118的后面边沿208更远，如果后面边沿208比隧道势垒层210的后面边沿212更靠近读出表面200的话。
虽然优选实施例是相对于图5来示出和说明的，隧道势垒层120具有其凹进去的前面边沿且和固定铁磁体层132的前面边沿共面，但是，在本发明中，使隧道势垒层的前面边沿暴露在ABS上且实质上和自由铁磁体层的前面边沿共面是可能的。还有，虽然第1引线102被画作使其后面边沿伸出到反铁磁体层116和固定铁磁体层118之外，仍可使第1引线的后面边沿与这些层基本上共面。
在一个可供选择的实施例中在其上边已形成了第1引线102的衬底是第1磁屏蔽S1，而第2磁屏蔽S2则形成在第2引线104上。屏蔽S1和S2由Ni-Fe或者Ni-Fe-Co合金构成，且是导电性的。因此在本实施例中将提供一条通过屏蔽S1到第1引线102，且垂直地通过隧道结到第2引线104和第2屏蔽S2的导电路径。本实施例消除了对绝缘间隙G1、G2的需要。尽管如图所示绝缘材料在隧道结的前面和后面仍然是需要的。
制造凹进式MTJ MR读出磁头的工艺
参照图6，说明形成凹进式MTJ MR读出磁头的工艺。需要两个平版印刷图形步骤。一个定义凹进式固定铁磁体118，一个定义自由铁磁体层132。该MTJ MR读出磁头是制造在一层绝缘体上，一般，如图5所示，是在氧化铝G1层上，但是也可以直接制造在底磁屏蔽层S1上。
如图6A所示，工艺开始先淀积供引线层102、反铁磁体层116、固定铁磁体层118用的材料和诸如铝之类的最终被氧化以形成隧道势垒层120的材料。引线材料可以是各种导体材料，诸如Ta,Al,Au,W和Pt之类的材料，典型的厚度在100到500埃的范围之内。反铁磁体层116可以从许多熟悉的材料，诸如Fe-Mn,Ni-Mn,Pt-Mn,Ir-Mn和Pd-Mn中选择。反铁磁体层116的典型厚度是在7到300埃的范围内。固定铁磁体层118最好是一种Ni-Fe合金或Ni-Fe合金与Co薄膜的双层。Ni-Fe合金层的典型的厚度是20到100埃而Co层的典型厚度是2到20埃。隧道势垒氧化物层120的铝层的厚度一般是5到20埃的范围。
在通常用离子束或者RF或DC磁控管溅射法淀积上这些层之后，用抗蚀剂230使这些层图形化以定义示于图6B的所希望的形状，如图6A的顶视图所示。接着，如图6C所示，进行离子铣蚀以去掉未被抗蚀剂保护的材料。现在，在层G1上边，用图6D所示的形状，形成引线层102、反铁磁体层116、固定铁磁体层118和隧势垒层。抗蚀剂层230一般是一个具有侧蚀(undercut)的双层抗蚀剂。在图6C的离子铣蚀步骤之后，用离子束或RF溅射淀积一层绝缘体232，一般是淀积一层氧化铝或者SiO2以对图形的边沿密封，之后，剥离抗蚀剂层230，得到示于图6E-6F的构造。在该第1平版图形化步骤中定义了两个重要的特点。第一，是形成了固定铁磁体层118的‘高度’，即，在前面边沿206和后面边沿208之间的距离。第二，把固定铁磁体层118的前面边沿206，即把最靠近ABS的边沿设定为参考点。在后边的制造工艺中，在设备被重叠以形成ABS的时候，该参考边沿206被用来最终设定从ABS凹进去的距离。
在进行图形化以形成图6E-6F的构造之后，在其中将变成隧道势垒层120的铝在氧压为100mTorr和功率密度为25W/cm2条件下被等离子体氧化30-240秒。这样将形成氧化铝的绝缘隧道层120。
其次，如图6G-6H所示，淀积自由铁磁体层132和引线层104。自由铁磁体层132一般是Ni-Fe合金或者Co和Ni-Fe合金的双层，对于Ni-Fe合金厚度为10到200埃，对于Co，厚度为2到20埃。引线104用与对引线102说明过的相同的材料和厚度形成。
在用离子束或者RF或DC磁控管溅射淀积了层132、104之后，如图6I-6J所示，自由铁磁体层132和引线层104用抗蚀剂240形成图形以确定所希望的形状。抗蚀剂240一般是一具有侧蚀的双层抗蚀剂。然后，如图6K-6L所示，离子铣蚀去掉没有用抗蚀剂240保护的那些材料。在图6K的离子铣蚀步骤之后，用离子束或RF溅射淀积一层绝缘体242，一般是淀积一层氧化铝或者SiO2以对图形的边沿密封，之后，剥离抗蚀剂层240，得到示于图6M-6N的构造。在该第2平版图形化中确定的一个重要的特点是自由铁磁体层132的宽度，即将要暴露在ABS上的的宽度w。这一步骤也确定后面边沿203，使得自由铁磁体层132从ABS中伸出去并越过势垒层120的前面边沿210和后面边沿212，在后面边沿212之外结束。如上所述，在传播中，这有助于使磁通有效地通过由隧道势垒层120和固定铁磁体层118的后面和前面边沿确定的整个有效隧道结区域。
以上的工艺也可以用于向还用作磁通引导装置的自由铁磁体层132提供纵向偏置或稳定化，就像前边对图4所示的偏置铁磁体层150所说明的那样。特别是示于图6K-N的那些步骤被修改为使得不用淀积氧化铝层242和接下来剥离抗蚀剂240，而代之以连续的淀积氧化铝，硬偏置铁磁体材料，和另一层氧化铝，并接着进行剥离。所得到的构造示于图7，这是读出表面200的视图。图7示出了读出铁磁体层132和在读出表面200上具有暴露的前面边沿的第2引线104。此外，还示出了偏置铁磁体层150的暴露出来的边沿。在硬偏置铁磁体层150和读出铁磁体层132之间的区域，用诸如氧化铝之类的绝缘材料形成了第1引线102(因为它从读出表面200凹了进去，故用虚线表示)和第2引线104。典型的氧化铝的厚度是在100到500埃的范围之内，硬偏置铁磁体材料通常是具有厚度可调整为提供自由铁磁体层132的1到3倍的磁矩的Co-Pt合金。第1氧化铝绝缘物覆盖读出铁磁体形状的边沿，第2氧化铝绝缘物覆盖硬偏置材料的顶部表面。在剥离之后，最后的图形化步骤被用于去掉不希望的硬偏置铁磁体材料的区域。
引线、自由和固定铁磁体层、隧道氧化物、和反铁磁体层的总的厚度受限于屏蔽S1和S2之间的总的分离距离。对于5Gbit/in2的传感器这一数字范围从1000到2000埃。在两个屏蔽之间有中心定位于该间隙中的自由铁磁体层132是有利的。该层可以用调整引线104、102的厚度之比的办法完成。
在引线104和自由铁磁体层132已经图形化和MTJMR磁头构造本质上已经完成但却剩下重叠步骤来形成ABS200之后，仍然需要把固定铁磁体层118的磁化方向(磁矩)调准到合适的方向。如果把Fe-Mn用作和固定铁磁体层118交换耦合的反铁磁体层116，则就象已淀积的那样，它就是反铁磁体层。但是其磁化方向必须重新进行调整，使得可以在合适的方向上交换耦合固定铁磁体层118。该构造被放置在一个退火炉中且温度被升到比Fe-Mn的成型温度高的约180℃。在该温度下，Fe-Mn层不再和固定铁磁体层118发生交换各向异性。铁磁体层118的交换各向异性采用在磁场中冷却一对层116和118的办法形成。固定铁磁体层118的磁化方向将沿着外加磁场的方向。因此在退火炉中外加磁场使得固定铁磁体层118的磁矩，如图4中箭头119所示，被固定为沿着所需的方向垂直于ABS。这是在存在着铁磁体层118的情况下，冷却Fe-Mn，在所需的方向上，用外加磁场磁化后的结果。因此，在低于Fe-Mn成型温度的温度下，在存在着来自记录媒体的外加磁场的情况下，固定铁磁体层118的磁化方向将基本上不旋转。
对于示于图5的优选实施例有几种可能的变形。首先，隧道势垒层120的前面边沿210不一定要凹进去，而是也可以定位于ABS上，而且和自由铁磁体层132的读出边沿201重合。其次，在制造过程中，引线104和自由铁磁体层132可以首先形成在G1衬底上边，同时，固定铁磁体层118，反铁磁体层116和引线102在MTJ的‘顶’上。
虽然参考优选实施例详细地示出并说明了本发明，本专业的人员将会理解在形式和细节上都会有各种变化而不会偏离本发明的精神和范围。因此，应当仅仅把所公布的发明看做是说明性的，而仅仅受限于权利要求中所指定的范围。

Claims (31)

1、一种用来在连接到读出电路上时，读出以磁性方式记录在媒体上的数据的磁性隧道结磁阻读出磁头，该磁头具有基本上是平面的读出表面，在磁记录数据被读出时，该读出表面一般说被安排为平行于媒体表面，上述读出磁头的特征是具有：
一个具有形成读出表面的一部分的边沿的衬底；
一个形成在该衬底上的第1导电性引线；
一个形成在第1引线上且具有从读出层凹进去的前面边沿和位于比前面边沿距读出表面更远的后面边沿的固定铁磁体层，固定铁磁体层的磁化方向被固定为沿着优选方向，使得在存在有来自媒体的外加磁场的情况下，基本上可以防止转动；
一个读出铁磁体层，具有一个基本上与读出表面共面的读出边沿和一个后面边沿，读出铁磁体层的磁化方向被定向为一般在不存在着外加磁场的情况下垂直于固定铁磁体层的磁化方向，而在存在来自媒体的外加磁场的情况下磁化方向自由旋转；
一个绝缘隧道势垒层，定位于固定和读出铁磁体层之间并和固定及读出铁磁体层接触，用来允许隧道化电流在通常垂直于固定和读出铁磁体层的方向上流动，该隧道势垒层具有一个前面边沿和一个后面边沿，后面边沿被定位于比前面边沿距读出表面更远；
一个形成在读出铁磁体层上边的第2导电性引线；并且
其中，如果隧道势垒层的后面边沿比固定铁磁体层的后面边沿更靠近读出表面，则读出铁磁体层的后面边沿定位为比隧道势垒层的后面边沿距读出表面更远，如果固定铁磁体层的后面边沿比隧道势垒层的后面边沿距读出表面更近，则读出铁磁体层的后面边沿定位为比固定铁磁体层的后面边沿距读出表面更远。
2、权利要求1所述的磁头，其特征是：隧道势垒层的前面边沿从读出表面凹进。
3、权利要求2所述的磁头，其特征是：隧道势垒层的前面边沿比读出铁磁体层的前面边沿宽。
4、权利要求1所述的磁头，其特征是：隧道势垒层的前面边沿和固定铁磁体层的前面边沿基本上是共面。
5、权利要求1所述的磁头，其特征是：隧道势垒层的后面边沿与固定铁磁体层的后面边沿基本上是共面的，读出铁磁体层被定位于比隧道势垒层和固定铁磁体层共面的后面边沿距读出表面更远。
6、权利要求1所述的磁头，其特征是：还具有一个与固定铁磁体层接触的反铁磁体层，用于通过采用界面间交换耦合的办法固定固定铁磁体层的磁化方向，该反铁磁体层具有从读出表面凹进的前面边沿。
7、权利要求6所述的磁头，其特征是：反铁磁体层，固定铁磁体层，和隧道势垒层的前面边沿基本上是共面的。
8、权利要求7所述的磁头，其特征是：反铁磁体层，固定铁磁体层，和隧道势垒层的后面边沿基本上是共面的。
9、权利要求6所述的磁头，其特征是：第1电引线直接形成在衬底上，反铁磁体层位于第1电引线和固定铁磁体层之间，固定铁磁体层直接形成在反铁磁体层上边并和反铁磁体层接触，其中固定铁磁体层的磁化方向用和反铁磁体层进行界面间交换耦合的办法固定。
10、权利要求1所述的磁头，其特征是：读出铁磁体层的磁化方向，在不存在外加磁场的情况下，一般平行于读出表面。
11、权利要求1所述的磁头，其特征是还包括有下述部分：
一个偏置铁磁体层，用于在不存在外加磁场的情况下把读出铁磁体层的磁化方向纵向偏置到一般垂直于固定铁磁体层的磁化方向；和
一个位于偏置和读出铁磁体层之间，用于使偏置层和读出层电绝缘的电绝缘层；其中电引线与偏置层用该绝缘层绝缘，其中当一个读出电流在固定铁磁体层和读出铁磁体层之间通过时，它一般垂直地通过隧道势垒层而不会流入偏置层中。
12、权利要求1所述的磁头，其特征是：磁头是其中读出磁头被写入磁头屏蔽的那种类型的集成化读/写磁头的一部分，而上述衬底是供读出磁头用的第1屏蔽。
13、权利要求12所述的磁头，其特征是：还包括一个形成于第1屏蔽上边的电绝缘性间隙材料层，并且第1电引线层形成在间隙材料层上边。
14、权利要求1所述的磁头，其特征是：还包括一个第2衬底，其中第1引线，读出铁磁体层，隧道势垒层和第2引线形成一个位于第1和第2衬底之间的叠层；还包括一个位于上述叠层与第1和第2衬底之间，且处在磁头的读出表面和固定铁磁体层的凹进去的前面边沿之间的区域中的绝缘材料。
15、权利要求14所述的磁头，其特征是：磁头是其中读出磁头是进行了磁屏蔽的那种类型的集成化读/写磁头的一部分；第2衬底是把读出磁头与写入磁头分开来的第2屏蔽。
16、权利要求1所述的磁头，其特征是：还包括连接到第1和第2引线上的读出电路。
17、权利要求1所述的磁头，其特征是：衬底是第1导电性磁屏蔽，第1引线形成在第1屏蔽上边，从而在第1屏闭和第1引线之间提供一个导电性的路径。
18、权利要求17所述的磁头，其特征是：还包括一个形成在第2引线上的第2导电性磁屏蔽，以提供一个从第1屏蔽到第1引线和通过隧道势垒层到第2引线和第2屏蔽的导电性的路径。
19、权利要求1所述的磁头，其特征是：该磁头是用来从磁记录磁盘中读出数据的那种类型的磁头，还包括一个具有一个在来自磁盘的数据正在用磁头和一般垂直于ABS的跟踪末端表面读出时面朝磁盘的表面的空气-轴承表面(ABS)的空气-轴承浮动块，该浮动块跟踪末端表面是在其上边形成第1电引线的衬底，浮动块ABS是磁头的读出表面。
20、一种用来在连接到读出电路上时，读出以磁性方式记录在媒体上的数据的磁性隧道结磁阻读出磁头，该磁头具有基本上是平面的读出表面，在磁记录数据被读出时，该读出表面一般说被安排为平行于媒体表面，上述读出磁头的特征是具有：
一个具有形成读出表面的一部分的边沿的衬底；
一个形成在该衬底上的第1导电性引线；
一个形成在第1引线上且具有从读出层凹进去的前面边沿和比前面边沿距读出表面更远的后面边沿的固定铁磁体层；
一个反铁磁体层，该反铁磁体层和固定铁磁体层接触，用来采用界面间交换耦合的办法沿着一个优选方向固定固定铁磁体层的磁化方向使得它基本上在存在着来自媒体的外加磁场的情况下不能旋转，该反铁磁体层具有一个从读出表面凹了进去的前面边沿；
一个读出铁磁体层，具有一个基本上与读出表面共面的读出边沿和一个后面边沿，读出铁磁体层的磁化方向被定向为一般垂直于固定铁磁体层的磁化方向，并且一般地在不存在外加磁场的情况下平行于读出表面，而在存在着来自媒体的外加磁场的情况下磁化方向自由旋转；
一个绝缘隧道势垒层，定位于固定及读出铁磁体层之间并与之接触，用来允许隧道化电流在通常垂直于固定和读出铁磁体层的方向上流动，该隧道势垒层具有一个从读出表面凹进去的前面边沿和一个后面边沿，后面边沿被定位于比前面边沿距读出表面更远；
一个形成在读出铁磁体层上边的第2导电性引线；并且
其中，如果隧道势垒层的后面边沿比固定铁磁体层的后面边沿更靠近读出表面，则读出铁磁体层的后面边沿定位为比隧道势垒层的后面边沿距读出表面更远，如果固定铁磁体层的后面边沿比隧道势垒层的后面边沿距读出表面更近，则读出铁磁体层的后面边沿定位为比固定铁磁体层的后面边沿距读出表面更远。
21、权利要求20所述的磁头，其特征是：隧道势垒层的前面边沿比读出铁磁体层的前面边沿宽。
22、权利要求20所述的磁头，其特征是：反铁磁体层，固定铁磁体层和隧道势垒层的前面边沿基本上是共面。
23、权利要求20所述的磁头，其特征是：反铁磁体层，固定铁磁体层和隧道势垒层的后面边沿基本上是共面。
24、权利要求20所述的磁头，其特征是：隧道势垒层的后面边沿与固定铁磁体层的后面边沿基本上是共面的，读出铁磁体层的后面边沿被定位于比隧道势垒层和固定铁磁体层的后面边沿距读出表面更远。
25、权利要求20所述的磁头，其特征是：第1电引线直接形成在衬底上，反铁磁体层位于第1电引线和固定铁磁体层之间，固定铁磁体层直接形成在反铁磁体层上边并与反铁磁体层接触。
26、权利要求20所述的磁头，其特征是还包括有下述部分：
一个偏置铁磁体层，用于在不存在外加磁场的情况下把读出铁磁体层的磁化方向纵向偏置到一般垂直于固定铁磁体层的磁化方向；和
一个位于偏置和读出铁磁体层之间，用于使偏置层和读出层电绝缘的电绝缘层；其中电引线与偏置层用该绝缘层绝缘，从而当一个读出电流在固定铁磁体层和读出铁磁体层之间通过时，它一般垂直地通过隧道势垒层而不会偏置层中流入。
27、权利要求20所述的磁头，其特征是：该读出磁头是下述类型的集成化读/写磁头的一部分：其中，读出磁头被磁屏蔽，上述衬底是供读出磁头用的第1磁屏蔽。
28、权利要求27所述的磁头，其特征是：还包括一个形成于第1屏蔽上边的电绝缘性间隙材料层，并且第1电引线层形成在间隙材料层上边。
29、权利要求20所述的磁头，其特征是：还包括一个连接到第1和第2引线上的读出电路。
30、权利要求20所述的磁头，其特征是：衬底是第1导电性磁屏蔽，第1引线形成于该第1屏蔽上边；还包括一个形成在第2引线上的第2导电性磁屏蔽，以此来提供一个从第1屏蔽到第1引线和通过隧道势垒层到达第2引线和第2屏蔽的导电性的路径。
31、权利要求20所述的磁头，其特征是：该磁头是用来从磁记录磁盘中读出数据的那种类型的磁头，还包括一个具有一个在来自磁盘的数据正在用磁头和一般垂直于ABS的跟踪末端表面读出时面朝磁盘的表面的空气-轴承表面(ABS)的空气-轴承浮动块，该浮动块跟踪末端表面是在其上边形成第1电引线的衬底，浮动块ABS是磁头的读出表面。
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