CN1218246A - 磁阻效应型磁头 - Google Patents

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Abstract

一种使用旋转球形膜的磁阻效应型磁头,包括:平面基本为矩形的磁阻效应膜,其长度方向基本垂直于磁记录介质的滑动面、与磁阻效应膜长度方向一端相连的第一电极、与磁阻效应膜长度方向另一端相连的第二电极以及沿磁阻效应膜宽度方向设置在其两端的硬磁膜。磁阻效应膜由第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层以及反铁磁层一起层叠而成。硬磁膜具有比磁阻效应膜更大的电阻。

Description

磁阻效应型磁头
本发明涉及一种使用旋转球形膜(spin bulb film)的磁阻效应型磁头。
随着硬盘器件向着小尺寸和大容量的趋势发展，对小尺寸硬盘器件，例如，2.5英寸大小，特别是可能适用于便携式个人电脑的硬盘提出了日益增长的需求。
对这类小尺寸硬盘，介质速度随硬盘的直径而降低，因此，在其反馈输出依赖于介质速度的传统感应型磁头中，反馈输出的降低使提高记录容量的努力付之东流。
另一方面，对具有磁-阻效应的磁-阻效应型磁头(MR磁头)，其磁头内阻值可随磁场变化，反馈输出不依赖于介质速度，使得即使在低介质速度下也可实现高反馈输出。因此，作为适用于小硬盘中能实现高记录容量的MR磁头正深受关注。
MR磁头是一种利用磁阻效应再生的磁头，其内部电阻值随磁化方向以及磁头中电流的方向而变化，这一点在过渡金属中可得到验证。特别是，如果从磁记录介质中发出的漏磁通被MR膜接受，MR膜的磁化方向就被该磁通反转，这样磁化方向就处于MR膜中与磁通量相关的电流方向角度。这使MR膜的电阻发生变化，且对应于这种电阻变化，在通过检出电流的MR膜末端显示出电压的变化。
因此，磁记录信号可利用这种电压变化作为电压信号读出。此时，施加一偏压以使MR膜的工作点成为电阻随外磁场和MR膜最大电阻改变而变化的高线性点，也就是最优偏压点。
MR磁头是通过用薄膜技术形成上述的MR膜、电极膜或绝缘性膜，用光刻技术蚀刻这些薄膜制备的。另外，对该MR磁头，为防止再生时不必要的磁通进入MR膜，采用一种在MR膜的上、下两边设置上、下磁极的封装结构以便形成一间隙长度。
具体地，所谓的纵向MR磁头，其栓出电流沿垂直于磁道轴方向，将第一绝缘膜、作为下磁极的软磁膜、以及由Al2O3或SiO2形成的第二绝缘膜，依次层叠。在第二绝缘膜上设置基本上为矩形的MR膜使其长度方向基本垂直于磁记录介质滑动面，且其端面向磁记录介质的滑动面暴露。在MR膜长度方向的两端装有前端电极和后端电极，以向MR膜提供检出电流。在MR膜上装有由例如Al2O3或SiO2组成的绝缘膜。该绝缘膜夹在前端电极和后端电极之间。在绝缘膜上的朝向MR膜且用于向该处施加偏磁场的偏压导体。在偏压导体上设置绝缘膜，其上形成软磁膜层作为上磁极，从而形成完整的MR磁头。
MR膜是具有磁阻效应的磁性材料膜。
另外，具有由多种材料组合的多层结构、显示出巨大磁-阻效应的巨磁阻效应膜，正受到关注。在巨磁阻效应膜中，旋转球形膜具有更为简单的结构，且其电阻可随更弱的磁场变化。
一般而言，旋转球形膜具有四层膜结构，即铁磁层、非磁性层、第二铁磁层和反铁磁层，以此次序排列。通过用非磁性层分隔第一铁磁层和第二铁磁层以及在第二铁磁层上形成反铁磁层，使与反铁磁层接触的第二铁磁层在预定方向上磁化。在下文中第二铁磁层被称为锁定层另另外，被非磁性层隔开的第一铁磁层不具有固定的磁化方向。在下文中该铁磁层被称为自由层。亦即，锁定层和自由层分别具有较高和较低的矫顽力。
如果对上述的旋转球形膜施加磁场，自由层沿磁化方向磁化。旋转球形膜的阻值根据自由层的磁化方向是否与锁定层的磁化方向180°相反和是否与锁定层磁化方向相同而分别出现最大和最小值。
然而，对采用旋转球形膜的MR磁头，自由层的磁畴控制十分重要。无预定磁化方向的自由层具有如图1所示的对外不显示磁极的磁畴结构，以避免无外磁场效应时静磁能的增加。如果，在旋转球形膜的自由层中大量磁畴以不同的磁化方向排列的状态下，施加通过自由层的外磁场，则在自由层中磁化方向一致地移动，使得在自由层中具有同一磁化方向。由于在从多种磁畴向一致的磁畴转变过程中磁壁被破坏，就产生了附加于输出波上、称为巴克好森(Barkhausen)噪声的噪声。
因此，本发明的目的在于提供一种采用旋转球形膜的稳定磁阻效应磁头，其中即使在无外磁场存在时也使得自由层的磁化方向保持一致。
根据本发明，提供一种磁阻效应磁头，包括：其平面基本为矩形且其长度方向基本垂直于磁记录介质滑动面的阻效应膜、与所述磁阻效应膜长度方向的一端相连的第一电极、与所述磁阻效应膜长度方向的另一端相连的第二电极以及沿所述磁阻效应膜宽度方向在其两端设置的硬磁膜。该磁阻效应膜至少包括：第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层以及反铁磁层，层积形成。硬磁膜的电阻高于磁阻效应膜。
在该磁阻效应型磁头中，磁阻效应膜的磁畴用硬磁膜稳定。对该磁阻效应磁头，由于硬磁膜的电阻高于磁阻效应膜，电流很难穿过硬磁层。
另外，对该磁阻效应型磁头，由于旋转球形膜的磁畴用硬磁膜控制，从而可能消除巴克好森噪声以获得最佳再生。而且，因为硬磁膜的电阻高于磁阻效应膜，如上所述，电流很难穿过硬磁层，从而防止了电流损耗。
图1是自由层磁畴结构的示意剖视图。
图2是根据本发明的MR磁头示例性结构的剖视图。
图3是SV型MR器件12示例性结构的平面视图。
图4是SV型MR器件12示例性结构的透视图。
图5是旋转球形膜2示例性结构的剖视图。
图6是另一旋转球形膜2示例性结构的剖视图。
图7是SV型MR器件基本部件的透视图。
图8是硬磁膜3、4中使用的含Co的Fe2O3的磁化曲线图。
图9是图4所示的SV型MR器件12的外磁场与输出电压之间的关系图。
图10也是图4所示的SV型MR器件12的外磁场与输出电压之间的关系图。
图11的剖视图示出在基板上形成旋转球形膜和保护膜并在其上形成阻挡图案的状态，用于说明SV型MR器件12的制备方法。
图12是采用图11中的阻挡图案作掩模的蚀刻状态示意剖视图。
图13是已形成硬磁膜、图12中的阻挡图案未去除时的状态的示意剖视图。
图14是移去图13中阻挡模时的状态的示意剖视图。
图15是在基板上形成硬磁膜，并在其上形成阻挡图案时的状态的示意剖视图，用于说明SV型MR器件12的制备方法。
图16是移去图15中旋转球形膜时的状态示意剖视图。
图17是形成图16中旋转球形膜时的状态的示意剖视图。
图18是蚀刻图17中旋转球形膜时的状态的示意剖视图。
下面参照附图对本发明的优选实施方案详细说明。
本发明的磁阻效应磁头(MR磁头)1的示例性结构如图2所示。
MR磁头1包括夹在下磁屏蔽层13和上磁屏蔽层14之间的旋转球型磁阻效应器件(SV型MR器件)12。该SV型MR器件12有一平面基本为矩形的旋转球形膜2、后端电极5和前端电极6，将在下文中对其予以说明。
在SV型MR器件12中上磁屏蔽层14与前端电极6相连并在靠近磁记录介质的正对面附近弯折以便向上伸展到朝向后端电极5。由导电材料形成为上磁屏蔽层14也起着对前端电极6导向的作用。上磁屏蔽层14与下磁屏蔽层13之间的间距作为磁间隙g。
该MR磁头是所谓的纵向型MR磁头，其SV型MR器件12的设置是为了使旋转球形膜2的长度方向基本垂直于磁记录介质的信号记录面并且使旋转球形膜2的前端正对磁记录介质的一端。
在上述的纵向型MR磁头1中，通过下部磁屏蔽层13和绝缘膜22在非磁性材料如Al2O3-TiC的基板15上设置该SV型MR器件12，并在上磁屏蔽层14上设置保护膜16。
在上面的纵向型MR磁头1中，可利用旋转球形膜2因外磁场作用而电阻变化这一事实对磁记录介质(外磁场)的信号磁场进行检测。
用于上述MR磁头1的该SV型MR器件12，将在下文给予说明。
图3和4中示出SV型MR器件12的示例性结构，它们分别是SV型MR器件12的平面视图和示意性透视图。
该SV型MR器件12包含平面基本为矩形的旋转球形膜2以及在旋转球形膜2两端沿其宽度方向设置的平面基本为矩形的硬磁膜3、4，如图3所示。该SV型MR器件12还包含后端电极5，与旋转球形膜2长度方向的一端相连，以及前端电极6，与旋转球形膜2的相反的一端相连，如图3所示。旋转球形膜2的一端及相反一端在下文分别指后端和前端。
后端电极5和前端电极6被设置在旋转球形膜2的纵向端部以便使检测电流i在旋转球形膜2中从后端电极5向前端电极6流动。
旋转球形膜2包括自由层8，非磁性层9，锁定层10，以及反铁磁层11，以此顺序层叠在下磁屏蔽层13和绝缘膜22顺序排布在基板16上所组成的基板7上，如图5所示。
在旋转球形膜2中，自由层8的磁化方向Df在外磁场效应作用下转动。旋转球形膜2的电阻随自由层8和锁定层10的磁化方向之间的夹角而变化。
因此，对SV型MR器件12，外磁场可利用旋转球形膜2中的电阻变化进行检测。
自由层8和锁定层10可由任何合适的公知软磁材料制成。特别地，NiFe、NiFeCo、坡莫合金NiFe-X、其中X代表Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt或Si的一种或组合，都可以应用。
对非磁性层9，可用Cu、CuNi或CuAg。
对反铁磁层11，可用IrMn、RhMn、PtMn、FeMn、CrMnPt、NiO或NiCoO。
在隔片2的两边设置由硬磁材料组成的硬磁膜3、4。
硬磁膜3、4产生沿平行于旋转球形膜2宽度方向有分量的偏磁场以控制自由层8的磁化方向Df。硬磁膜3、4的磁化方向Dp平行于旋转球形膜2的宽度方向。
此处的偏磁场包括交换偏磁场。
如果硬磁膜3、4的矫顽力足够大，硬磁膜3、4的磁化就与自由层8的磁化铁磁性地耦合从而使自由层8的磁化方向Df与硬磁膜3、4的磁化方向Dp相同。这样，如果可施加能克服长度方向静磁各向异性的足够大的偏磁场，就可使自由层8的磁化方向Df沿宽度方向设置，具有更小的偏磁场。然而，若可施加足够大的偏磁场，就没有必要将自由层8的易磁化轴De方向设置到沿宽度方向。
如果自由层8的磁化方向Df可设置到沿宽度方向，自由层8的磁化分布就可稳定到单一磁畴状态，由此旋转球形膜2的磁阻特性就可稳定化并且不存在磁滞现象。
作为组成硬磁膜3、4的材料，宜采用代表式为MO-Fe2O3的铁氧体，其中M代表二价金属离子。典型的硬磁膜3、4的材料可以是含Co的γ-Fe2O3。
在SV型MR器件12中，形成硬磁膜3、4的优选材料具有比旋转球形膜2更高的电阻率。通过使用比旋转球形膜2电阻率更高的材料作为硬磁膜3、4，使硬磁膜3、4与旋转球形膜2的作为有效磁性检测部分的区域接触，检测电流i的绝大部分仍流经旋转球形膜2，这就减少了电流损耗并降低了输出。如果所用的硬磁膜3、4的材料在电阻率上比旋转球形膜2更高，就可以一种更为简单的结构避免电流损耗而没必要在硬磁膜3、4和旋转球形膜2之间进行绝缘。
通常使用的旋转球形膜2的电阻率一般在50～100μΩcm数量级。另一方面，SV型MR器件12中用于硬磁膜3、4的铁氧体的电阻率为O.1Ωcm数量级。因此，检测电流i的大部分流经旋转球形膜2，而很少流经硬磁膜3、4，从而避免电流损耗。
如果硬磁膜3、4沿旋转球形膜2的宽度方向设置在端部，以便关于与旋转球形膜2长度方向平行的中心线对称就可把硬磁膜3、4排布在旋转球形膜2一端和另一端之间任何合适的位置。如果在旋转球形膜2长度方向上硬磁膜3、4从一端到另一端连续排布，在整个旋转球形膜2内磁畴就可被稳定化。
在上述的MR磁头1中，旋转球形膜2可包括在底层的Ta非磁性膜17或反铁磁性层11上形成的Ta非磁性保护层18，如图6所示。
除Ta之外，非磁性材料，例如Ti或Hf，也可作为保护膜18的材料。
另外，在MR磁头1中，底层膜19也可在硬磁膜3、4上形成，如图7所示。通过在硬磁膜3、4上形成底层膜19可提高硬磁膜3、4的面内矫顽力。金属氧化物，如NiO、CoO或ZnO可用作底层膜19的材料。
如图8所示，对SV型MR器件12的磁场强度与输出电压之间的关系曲线已经检测。
特别地，在10nm厚例如Ta的底层膜上层叠6.3nm NiFe膜、2nm厚的CoFe膜、2.5nm厚的Cu膜、2nm厚的CoFe膜以及10nm厚的RhMn膜，以此顺序排列，并在RhMn膜上层叠10nm厚的Ta保护膜，制备旋转球形膜2。在这种情况下，NiFe和CoFe膜用作自由层，CoFe膜用作锁定层，Cu膜用作非磁性层，RhMn膜用作反铁磁层。
特别地，硬磁膜3、4由含Co的γ-Fe2O3膜形成，具有如图8所示的磁化曲线，厚度为71nm。
图9所示的图形给出了SV型MR器件12在磁道宽度1.0μm、磁灵敏区域长度5.0μm和检出电流1mA条件下的磁场强度与输出电压的关系。图10是对图9中低磁场部分的放大图。由图9和图10可见曲线光滑，所受的磁滞更低且无巴克好森噪声。
上述的SV型MR器件12以如下步骤制备：
首先，在非磁性材料的基板7上，以自由层、非磁性层、锁定层以及反铁磁层的顺序形成旋转球形膜2。
作为组成旋转球形膜2各层的材料，任何通常用作旋转球形膜2各层材料的合适的公知材料都可以使用。同样，作为形成这些层的方法，任何通常用于形成旋转球形膜2的合适的公知方法都可以使用。
在这样形成的旋转球形膜2上，形成非磁性材料的保护膜18。然后，在保护膜18上涂敷阻挡层20，并在其上用光刻技术形成所需形状的阻挡图案，其形状未示出。
然后用该阻挡图案作为遮蔽，将保护膜18蚀刻，以形成其后续的平面矩形旋转球形膜2，如图12所示。
然后，形成硬磁膜3、4，阻挡图案处于未去除状态，如图13所示。
最后，在形成硬磁膜3、4之后用移去法将阻挡层20去除，以制备如图14所示具有沿旋转球形膜2宽度方向在其两边形成的硬磁膜3、4的SV型MR器件12。
该SV型MR器件也可由以下步骤制备：
首先，在由非磁性材料形成的基板7上形成硬磁膜3、4，如图15所示。
然后，在硬磁膜3、4上形成阻挡层21，这样制备，是为了采用光刻工艺形成所需形状(未示出)的阻挡图案。
接着，用该阻挡图案作为掩蔽，将硬磁膜3、4蚀刻，去除阻挡图案以制备如图16所示的硬磁膜3、4。
然后，形成如图17所示的旋转球形膜2。旋转球形膜2用通常用于制备旋转球形膜2的任何适用的公知的材料或方法制备。
最后，将旋转球形膜2蚀刻，如图18所示，以制备具有沿旋转球形膜2宽度方向在其两边形成的硬磁膜3、4的SV型MR器件12。
在上述的MR磁头中，旋转球形膜2在磁间隙长度上从朝向磁记录介质表面的一端到后部的区域是受到信号磁场(外磁场)作用的区域。在此处所用的SV型MR器件12中，硬磁膜3、4设置在沿旋转球形膜2的长度方向的整个区域上，而旋转球形膜2的磁化方向Df被完全控制在旋转球形膜2中受信号磁场(外磁场)作用的区域内。这样，对MR磁头1，采用该SV型MR器件12，就可确保获得不产生匹克好森噪声的最佳反馈。

Claims (4)

1．一种磁阻效应型磁头，其特征在于，包括：平面基本为矩形的磁阻效应膜，其长度方向基本垂直于磁记录介质的滑动面；
与所述磁阻效应膜长度方向一端相连的第一电极；
与所述磁阻效应膜长度方向另一端相连的第二电极；以及
沿所述磁阻效应膜宽度方向在其两端设置的硬磁膜；
所述磁阻效应膜至少由第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层以及反铁磁层层叠在一起形成；
所述硬磁膜具有比所述磁阻效应膜更大的电阻。
2．如权利要求1所述的磁阻效应型磁头，其特征在于：所述硬磁膜具有MO-Fe2O3的组成，其中M为二价金属离子。
3．如权利要求1所述的磁阻效应型磁头，其特征在于：所述硬磁膜由含Co的γ-Fe2O3组成。
4．如权利要求1所述的磁阻效应型磁头，其特征在于：在所述硬磁膜下面设有一层组成为Ni2O、CoO或ZnO的底层膜。
CN98122534A 1997-11-20 1998-11-20 磁阻效应型磁头 Pending CN1218246A (zh)

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