CN1297533A - 磁检测器及其制造方法,铁磁隧道结器件及其制造方法,以及使用它的磁头 - Google Patents

磁检测器及其制造方法,铁磁隧道结器件及其制造方法,以及使用它的磁头 Download PDF

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Abstract

本发明披露了一种磁检测器,它包括:(1)一支撑基片,(2)一铁磁隧道结元件,其具有在该支撑基片上的第一磁层,在所述第一磁层上的隧道绝缘层。所述隧道绝缘层包括氧化铝,所述氧化铝是由氧化在第一磁层上形成的铝膜获得的,所述铝膜是使用99.999%或更高纯度的铝靶通过溅射形成的,以及在隧道绝缘层上的第二磁层,以及(3)一用于把磁场的改变转换为电阻的改变的转换元件。此外,作为(2)的铁磁隧道结元件。使用其隧道结具有沿所施加电压的方向为不对称的电压—电阻特性的元件。所述不对称的电压—电阻特性可以通过对绝缘层材料的薄膜进行热处理,改变用于形成氧化物的绝缘层的环境中氧气的局部压力,使用两个或多个用于形成薄膜的靶的材料并移动基片等方法来获得。

Description

磁检测器及其制造方法，铁磁隧道结器件 及其制造方法，以及使用它的磁头
技术领域
本发明涉及磁检测器及其制造方法，特别涉及具有铁磁隧道结的用作高密度磁记录的读头的磁检测器或用于检测磁场的磁检测器及其制造方法。
背景技术
在一种层叠结构的结中，其中金属层、绝缘层和金属层按照这个顺序被层叠在一起(在本说明书中，这种层叠结构被称为“金属/绝缘体/金属”)，已知在绝缘层的厚度相当小的情况下(具有几百个微微米到几千个微微米数量级)，当在两侧的金属层之间加上电压时，则有小的电流通过。这种现象被称为“隧道效应”，并且可以利用量子力学来解释。此外，所述电流被称为隧道电流，并且这种结被称为隧道结。
作为在这种隧道结中的绝缘层，通常使用氧化金属膜。例如，通过使铝的表面层自然氧化、等离子体氧化或者热氧化而形成的氧化铝膜被用作绝缘层。通过控制氧化条件，所述氧化铝膜的厚度可以具有几百微微米到几千微微米的数量级，这是隧道效应所需要的。
被形成为在隧道结的两侧具有铁磁材料的金属层的铁磁金属/绝缘体/铁磁金属结构的结被称为铁磁隧道结。在这种情况下，已知隧道电流的大小取决于两个铁磁金属层的磁化条件。当两层的磁化方向被取为相同的方向时，则通过最大的隧道电流，当两层的磁化方向被取为相反的方向时，则通过小的隧道电流。这被解释为，在铁磁材料中，导电的电子被极化，并且这个现象是由在保持极化时电子的隧道效应引起的。沿着一个方向的电子极化只能通过隧道效应达到一个这样的状态，其中电子沿着所述的方向被极化；而沿着相反方向进行的电子极化只能通过隧道效应达到这样的状态，其中电子沿着相反的方向被极化。当加有绝缘层的两个金属层的铁磁物质具有相同的极化方向时，可以在相同的状态之间发生隧道效应，因而具有大的隧道电流(隧道几率高)。当它们具有相反的磁化方向时，除非在沿一个方向被极化的状态中的电子和沿相反方向被磁化的状态中的电子在所述状态下在它们要通过的层中分别找到空穴时，则不发生隧道效应，因而一般地说，隧道电流小(隧道几率低)。
因而，在铁磁隧道结中，隧道几率(隧道电阻)取决于在两层中的磁层的磁化状态，因此，隧道电阻可以通过施加外部磁场改变磁层的磁化状态进行控制。换句话说，通过隧道电阻的改变可以检测外部磁场的改变。
隧道电阻R可以由下式表示：
R=R0+(1/2)ΔR(1-cosθ)        (1)
其中θ是在两个磁层之间磁化方向的相对角度，R0是当相对角度θ是0°时，即两个磁层的磁化方向平行时的隧道电阻，以及ΔR是在两个磁层的磁化方向平行时的隧道电阻和两个磁层的磁化方向反平行时的隧道电阻之间的差。
由式(1)可见，当两个磁层的磁化方向平行时，隧道电阻最小，而当它们反平行时，隧道电阻最大。这是因为，铁磁物质中的电子是在旋转中被磁化的。电子一般或者处于向上旋转状态或者处于向下旋转状态。处于向上旋转状态的电子被称为上旋电子，处于向下旋转状态中的电子被称为下旋电子。
在非磁物质中，上旋电子的数量和下旋电子的数量彼此相等。因此，非磁物质在整体上不显磁性。另一方面，在铁磁物质中，上旋电子的数量和下旋电子的数量互不相同。因而，铁磁物质在整体上具有向上磁化或向下磁化。
已知当在隧道结中的电子穿过隧道时，在隧道中的各个电子保持其旋转状态。如果一个磁层具有相应于隧道电子的旋转状态的能级的空穴，则电子可以穿过所述磁层，如果没有具有所述能级的空穴，则电子不能穿过磁层。
隧道电阻改变的比例，ΔR/R0，利用电子源的磁层的极化率和在电子要通过的磁层中的空穴能级的极化率的乘积，由下式表示：
ΔR/R0=2P1P2/(1-P1P2 )           (2)
其中P1表示电子源的电子的旋转极化率，P2表示在电子要穿过的磁层中的空穴能级的旋转极化率。此外P1和P2由下式表示：
P1,P2=2(Nup-Ndown)/(Nup+Ndown)        (3)
其中Nup表示上旋的电子数或者上旋电子的级数，Ndown表示下旋的电子数，或者下旋电子的级数。
极化率P1,P2取决于铁磁材料的类型，并且一些材料呈现接近50％的极化率。在这种情况下，可以预期获得百分之几十数量级的电阻的改变率，这大于由各向异性的磁致电阻效应(AMR)或巨磁致电阻效应(GMR)获得的电阻的改变率。例如，理论上，预计当铁磁金属例如Co,Fe,Ni被用于磁层中时，可以获得的电阻的改变率是20％到50％的数量级，这些值和实验获得的值接近。因而，由于和常规的各向异性磁致电阻效应或巨磁致电阻效应相比，在隧道效应中的电阻的改变率较大，所以使用铁磁隧道结的元件期望在下一代器件中用于磁检测器。
在隧道结元件中，当被夹在两个磁层之间的隧道绝缘膜具有小的厚度时，易于产生缺陷，例如针孔。然而，如果隧道绝缘膜具有增加的厚度以便阻止产生针孔，又存在减小磁电阻的改变率的问题。
另一方面，当铁磁隧道结元件被用作磁检测器时，一般地说，在通过一个恒定的电流(检测电流)的同时施加一个磁场，并检测电阻值的改变，且被转换成电压被输出。已知铁磁隧道效应与施加的电压有关，因而其电阻的改变率随着施加的电压而改变。在图1中，示出了在铁磁隧道效应中电阻的改变率对施加电压的依赖性的典型的测量结果。由图1显然可见，虽然铁磁隧道结元件在低电压时具有较大的电阻改变率，但是，当施加大约0.4V的电压时，电阻的改变率大约被减少到一半。据认为，在铁磁隧道效应中的电压依赖性是由在铁磁物质和绝缘体之间的界面上出现的磁振子(磁矩的波动)引起的。
虽然获得了较大的输出，但是一般地说，当较大的电压施加于元件上时，实际上一种铁磁隧道结元件提供一小的输出，这是因为当施加一大的电压时其输出具有对所施加的电压的依赖性所致。为了解决这个问题，披露了一种方法，其中通过串联连接多个隧道结，从而通过分散对各个元件施加的电压来改善基极特性(JP-A-11-112054)。不过，按照所述方法，因为串联几个结，所以总的电阻值增加了。
作为一种铁磁隧道结的特有的性质，参见图2的非线性电压-电流(V-I)特性曲线，图2示出了一种典型的铁磁隧道结的V-I特性。与此相应，电阻(隧道电阻)的值也随电压而发生较大的改变，并且图3示出了电压-电阻特性。由此可以理解，在铁磁隧道结中，电阻值对电压具有大的依赖性。因而，所述的电阻值对电压的大的依赖性可能成为对电路设计的限制。
鉴于这些问题，本发明的目的在于提供一种磁检测器和用于生产所述磁检测器的方法，所述磁检测器即使在隧道绝缘膜具有大的厚度时，其磁电阻的改变率也具有小的减少。
此外，本发明的另一个目的在于提供一种铁磁隧道结元件以及使用所述元件的磁检测器，所述铁磁隧道结元件具有被减少的或者被限制的电阻值以及电阻的改变率对电压的依赖性。
按照本发明的一个方面，提供一种磁检测器，所述磁检测器包括：
(1)一支撑基片，
(2)一铁磁隧道结元件，其具有在该支撑基片上的第一磁层，在所述第一磁层上的隧道绝缘层，所述隧道绝缘层包括氧化铝，所述氧化铝是由氧化在第一磁层上形成的铝膜获得的，所述铝膜是使用99.999％或更高纯度的铝靶通过溅射形成的，以及在隧道绝缘层上的第二磁层，以及
(3)一用于把磁场的改变转换为电阻的改变的转换元件。
按照本发明的另一个方面，提供一种生产磁检测器的方法，所述磁检测器包括(1)一支撑基片，(2)一铁磁隧道结元件，其具有在该支撑基片上的第一磁层，在所述第一磁层上的隧道绝缘层，以及在隧道绝缘层上的第二磁层，以及(3)一用于把磁场的改变转换为电阻的改变的转换元件，其中铁磁隧道结元件利用包括以下步骤的方法制造：在一支撑基片上形成第一磁层；溅射具有99.999％或更高纯度的铝靶，从而在第一磁层上形成一铝膜；对所述铝膜进行氧化，以使其转换为包括氧化铝的隧道绝缘层；并在该隧道绝缘层上形成第二磁层。
在氧化之前使用纯度为99.999％或更高的铝靶形成铝膜，通过氧化所述铝膜而获得的隧道绝缘层可以具有相当大的MR比，即使在形成的铝膜具有大的厚度的情况下。因而，最初形成的具有大的厚度的铝膜可以阻止在所述膜中产生缺陷例如针孔，因而可以增加由铝膜的氧化而获得的绝缘层的可靠性，从而增加包括所述绝缘层的隧道结元件的可靠性，此外，还能提高最终生产的磁检测器的可靠性。
最好是，在铝靶溅射之前的大气压力不大于2×10-4帕。
最好是，在第一磁层上的铝膜被在氧的等离子体中氧化，以形成包括氧化铝的隧道绝缘层。
按照本发明的另一个方面，提供一种铁磁隧道结元件，其包括铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的隧道结，其中所述隧道结具有相对于所施加电压的方向为不对称的电压-电阻特性。按照这种方式，通过提供铁磁隧道结，其中电阻值和电阻改变的大小和电压有关，使其具有修正的电阻值和电阻改变的大小和施加电压的相关性，所述相关性在施加电压的正侧和负侧之间是不同的，这样，电阻改变的幅度以及隧道结元件的电阻值可以同时被减小。
最好是，具有上述特性的结可以被这样生产，即在作为隧道结中的阻挡层的绝缘层中，使用一种具有相对于施加电压的方向为不对称的成分分布的材料，或者在和绝缘层接触的各个层中使用不同的材料。
此外，铁磁隧道结元件的电阻值和电压的相关性，可以通过在所述元件中以这样的方式串联连接两个或多个结，使得沿相反的方向对于电压的增加而发生电阻的改变，而使所述相关性被减少。
在这种隧道结元件中，通过提供相对于所施加电压方向为不对称的电压-电阻特性(V-R特性)，使得由于施加电压而引起的铁磁隧道结元件的电阻的改变的大小(ΔR)被减小，同时，电阻值(R)也由于施加电压而大大减小，因而可以使所述元件的电阻改变率(ΔR/R)的减少较小。在这样一种元件的情况下，其中这种结被串联连接，以使对于电压的增加电阻的改变方向彼此相反，当施加电压时，各个结的电阻的改变相互抵销，而且在整个元件中电阻的改变变小。
以这种方式，按照本发明，可以避免由于施加电压而引起的铁磁隧道结元件中隧道电阻值和电阻改变率的大的改变。
按照本发明，还提供一种生产铁磁隧道结元件的方法，所述铁磁隧道结元件包括一铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的隧道结，所述方法包括赋予所述隧道结以沿对其所施加电压的方向为不对称的电压-电阻特性。
按照本发明的另一个方面，提供一种磁检测器，包括：
(a)一支撑基片，
(b)一铁磁隧道结元件，其包括一铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的隧道结，所述隧道结具有沿所施加电压的方向为不对称的电压-电阻特性，以及
(c)一用于把磁场的改变转换为电阻的改变的转换元件。
附图简述
图1是表示在铁磁隧道结中电阻的改变率和施加电压的相关性的典型的测量曲线；
图2表示铁磁隧道结的典型的电压-电流(V-I)特性的曲线；
图3表示铁磁隧道结的典型的电压-电阻(V-R)特性的曲线；
图4是本发明第一实施例的磁检测器的平面图；
图5是由图4的磁检测器沿线V-V取的截面图；
图6表示如图4和图5所示磁检测器的电阻改变率与外部磁场的相关性；
图7表示形成隧道绝缘层的铝膜的厚度和磁检测器的MR比之间的关系的曲线；
图8表示在提供溅射形成铝膜之前在溅射室中的最终的真空度和磁检测器的MR比的关系的曲线；
图9A是按照本发明的使用磁检测器的硬盘装置的磁头的平面图；
图9B是图9A的磁头从图中箭头AR方向看并被放大的图；
图10表示在本发明第二实施例的铁磁隧道结元件热处理之前的电压-电阻(V-R)特性；
图11表示本发明第二实施例的铁磁隧道结元件热处理之后的电压-电阻(V-R)特性；
图12是表示本发明第二实施例的铁磁隧道结元件热处理之后电压对电阻的改变的特性曲线(V-ΔR)；
图13是表示本发明第二实施例的铁磁隧道结元件热处理之后电压对电阻的改变率的特性曲线(V-MR)；
图14A和14B分别是在热处理前后本发明第二实施例的铁磁隧道结元件中的隧道绝缘层的示意图；
图15是说明在隧道绝缘层中氧的分布的示意图；
图16是说明用以赋予隧道绝缘层一种成分分布的处理之一的示意图；
图17是说明用以赋予隧道绝缘层一种成分分布的另一种处理的示意图；
图18说明在本发明中的铁磁隧道结，其具有通过层叠具有不同成分的薄膜而形成的隧道绝缘层；
图19A和19B为说明在本发明第二实施例的铁磁隧道结元件的绝缘层中浓度分布的示意图；
图20是说明用以赋予隧道绝缘层一种成分分布的另一种处理的示意图；
图21是表示被串联连接并用于形成本发明的铁磁隧道结元件的两个结的不对称的电压-电阻(V-R)特性的曲线；
图22是表示和常规的隧道结元件的V-R特性对照的通过串联连接具有不对称的电压-电阻(V-R)特性的两个结而形成的按照本发明的铁磁隧道结元件的组合的电阻的电压-电阻(V-R)特性的曲线。
图23说明一种使用本发明的铁磁隧道结元件的典型的磁头，其包括具有不对称的V-R特性并被串联连接从而呈现互相相反的极性的两个结；以及
图24说明使用本发明的铁磁隧道结元件的另一种典型的磁头。
在图4中示出了本发明实施例的磁检测器的平面图。在这种磁检测器中，下磁层10被形成在硅基片(没有示出)上，从而沿着基片的纵向延伸；中间层20大体上被形成在下磁层10的中心，以盖住下磁层，该层20包括隧道绝缘层；并且形成沿着基片的横向延伸的上磁层30，以在形成中间层20的区域内和下磁层10交叉。每一层例如使用具有相应于所述层的形状的开口的金属掩模通过溅射方法被形成。在下层10和上层30之间，连接有电流源2和电压指示器3。使用电流源2通过在下磁层10和上磁层30之间流过电流，并使用电压指示器3测量它们之间的电压，便可以确定隧道电阻。
图5是沿图4中线V-V所取的截面图。在图示的实施例中，被形成在硅基片1的表面上的下磁层10由NiFe层11和Co层12构成。
在本说明中，当化合物的成分比没有如上所述被规定时，则化合物不限于具有一种成分比。例如，在本实施例中的NiFe不意味着具有1∶1的成分比。
利用淀积处理，通过在磁场中淀积一种材料而形成NiFe层11和Co层12，所述磁场的方向和基片1的表面平行，并和下磁层10的延伸方向平行。NiFe层11和Co层12例如分别具有17.1毫微米和3.3毫微米的厚度。
在下磁层10上具有中间层20。在图示的实施例中，中间层20包括AlO的隧道绝缘层22，其通过在基片1的表面上在Co层12上淀积厚度例如为1.3到3.5毫微米的铝膜，并在氧等离子体中对其进行氧化而被形成，并且，如果氧化进行得不充分，则可能在AlO层22的下方留下Al层21。
最好是，通过溅射方法形成用于形成中间层20的铝膜。在溅射中被用作靶子的材料是具有99.999％或更高纯度的铝。最好在进行溅射之前把溅射室抽空到2×10-4Pa的压力。最好使用氧的等离子体进行淀积获得的铝膜的氧化，例如大约40秒钟。
在中间层20上形成的上磁层30由3.3毫微米厚度的Co层31，17.1毫微米厚度的NiFe层32和45毫微米厚度的FeMn层33，以及10毫微米厚度的NiFe层34的层叠结构构成。最好是，上磁层30的各层通过溅射形成。溅射在磁场中进行，磁场的方向平行于基片1的表面，并和下磁层10的延伸方向垂直地相交。因而，上磁层30的各层沿着垂直于图5中基片的表面的方向被磁化。
一般地说，Co的极化率大于NiFe的极化率。因此，由公式(2)表示的隧道电阻的改变率ΔR/R0可以通过在下磁层10的NiFe层11和中间层20之间以及上磁层30的NiFe层32和中间层20之间分别插入Co层12和Co层31而增加。
NiFe是铁磁物质，FeMn是反铁磁物质。因此，在上磁层30中，FeMn层33和NiFe层32彼此进行磁交换作用，并且作为铁磁物质的NiFe层32的磁化方向是固定的，和外磁场的方向无关。同样，上磁层30的Co层31的磁化方向也是固定的。在上磁层中的FeMn层33上的NiFe层34阻止FeMn层33的氧化。
和是固定的且与外磁场的方向无关的上磁层30中的NiFe层32以及Co层31的磁化方向相反，下磁层10的NiFe层11和Co层12的磁化方向在外磁场的作用下被改变。因而，对图5所示的由下磁层10、中间层20和上磁层30构成的结施加外部磁场，将引起在下磁层10的Co层12和上磁层的Co层31之间的相对的磁化角度的改变。这种在两个层之间的磁化角度的改变将引起隧道电阻R的改变，如公式(1)所示。通过使用电压指示器3测量隧道电阻R的改变，可以检测外部磁场的改变。
图6表示图4和图5所示的磁检测器的隧道电阻的改变率和磁场的相关性，横轴以Oe(奥斯特)为单位表示外部磁场，纵轴以％表示隧道电阻的改变率。磁场强度的单位奥斯特相应于1000/4π安培/米。外部磁场的正号表示外部磁场的方向和上磁层30的磁化方向相反。
当磁场被加在垂直于图5的基片表面的方向从而改变下磁层10的NiFe层11和Co层12的磁化方向，使得它们和上磁层30的Co层31的磁化方向平行或反平行时，当二者平行时，隧道电阻具有最小值ρmin，当二者反平行时，具有最大值ρmax。使用隧道电阻的最大值ρmax和最小值ρmin，由以下公式确定隧道结元件的MR比：
MR比(％)=〔(ρmax-ρmin)/ρmin〕×100    (4)
图6出现了两条曲线，因为当磁场从-100 Oe(-7960A/m)向+100 Oe(+7960A/m)改变时和当磁场从+100 Oe(+7960A/m)向-100 Oe(-7960A/m)改变时MR比以不同的方式改变。当外部磁场不大于-10 Oe(-796A/m)时，隧道电阻等于ρmin，磁电阻的改变率几乎是0％，因为上磁层30的Co层31的磁化方向和下磁层10的Co层12的磁化方向相互平行。当磁场被增加到-10 Oe(-796A/m)或更多时，下磁层10的Co层12的磁化方向开始改变，并且磁电阻的改变率被增加。当外部磁场达到+15 Oe(+1190A/m)时，上磁层和下磁层的Co层31、12的磁化方向相互反平行，因而隧道电阻最大。此时磁电阻的改变率大约为20％。即MR比大约为20％。
当外部磁场超过+60 Oe(+4780A/m)时，上磁层30的Co层31的磁化方向和外部磁场的方向相同，使得上磁层和下磁层的Co层31、12的磁化方向相互平行。因此，隧道电阻几乎具有最小值，并且磁电阻的改变率几乎是0％。
在外部磁场逐渐从+100 Oe(+7960A/m)被减小的情况下，当外部磁场大约等于+35Oe(+2790A/m)或更小时，上磁层30的Co层31的磁化方向和FeMn层33的初始磁化方向相同，而且隧道电阻具有最大值。当外部磁场大约达到-10 Oe(-796A/m)时，上磁层和下磁层的Co层31、12的磁化方向相同，而且隧道电阻变成最小。
因而，本发明的磁检测器可以以这种方式设计，使得两个磁层(第一磁层和第二磁层)中的一个磁层的磁化方向借助于外部磁场而自由地改变，而另一个磁层中的磁化方向当外部磁场小于某个值时是固定的，不受外部磁场的影响。
图7表示按照上述制造的磁检测器的MR比和铝膜厚度的相关性。横轴以毫微米表示在氧化之前铝膜的厚度，纵轴以百分数表示MR比。黑圈表示按照本发明在使用具有纯度为99.999％(5N)的铝靶淀积的铝膜的情况下磁检测器的MR比。为了对照，由圆圈表示使用纯度为99.99％(4N)的铝靶而形成的铝膜的情况下的磁检测器的MR比。在后一种情况下，在厚度为1.7毫微米或以上的铝膜的区域内，MR比被减少。与此相反，在按照本发明的情况下，即使在铝膜的厚度为1.7毫微米或更多时，MR比仍然较高。此外，在按照本发明的磁检测器的情况下，可以看出，MR比的分散性比对照例所示的情况较小。
因而，通过利用纯度为99.999％或更高的铝靶材料形成的铝膜生产铁磁隧道结的中间绝缘层(即隧道绝缘层)，即使在在铝膜的厚度较大时，也能获得相当大的MR比。特别是在铝膜具有1.7毫微米或更多的厚度时，尤其是在1.7到3.5毫微米的数量级时，预期可以获得好的效果。在这种情况下，在铝膜被氧化之后Al和AlO膜的总厚度大约为8毫微米。
图8表示在进行溅射以便形成铝膜之前溅射室内的最终真空度被改变时，MR比的改变曲线。在这种情况下，铝膜的厚度为3.5毫微米。可以看出，当最终真空度降低(压力增加)时MR比减少。据认为这是因为隧道绝缘膜的质量在溅射室内剩余的水的影响下便劣。为了获得大的MR比，最好是最终压力不大于2×10-4Pa。
因而，在形成用于制造铁磁隧道结的隧道绝缘层的铝膜时，通过使用99.999％或更高纯度的铝靶，并通过使用在膜形成之前不大于2×10-4pa的大气压力，即使在隧道绝缘层具有大的厚度时，也可以获得相当高的MR比。借助于具有大的厚度的隧道绝缘层，可以避免产生例如针孔那样的缺陷。
图9A是使用按照本发明的磁检测器的用于硬盘装置的磁头的顶视图，图9B是被放大的从图中的箭头AR的方向看的图9A的磁头的正视图(该图表示对着磁记录介质的磁盘的一面)。下面参照图9A和图9B说明磁头的结构和操作。
在图中所示的磁头中，包括NiFe,FeN或其类似物的下屏蔽层50被形成在支撑基片70上。支撑基片70通过在Al2O3-TiC基片上形成氧化铝(Al2O3)而被形成。在下屏蔽层50上，形成有包括Al2O3的下间隙层51。在下间隙层51的部分区域上形成下磁层52。下磁层52具有0.8微米的宽度WL。在下磁层52的两侧上，分别形成有CoCrPt层53A和53B，以便和其边沿表面接触。CoCrPt层53A和53B和下磁层52呈电接触。CoCrPt层53A和53B也被磁化，并提供具有一个磁畴的下磁层52，用于限制磁壁的突然变化，并消除操作中的不稳定性。
在CoCrPt层53A和53B上，分别形成由Ta,Ti,Cu,W或其类似物构成的电极54A和54B。电极54A和54B分别和CoCrPt层53A和53B呈电接触。
如此形成中间层(隧道绝缘层)55，以便盖住下磁层52和电极54A和54B。在相应于中间层55的顶面的下磁层52的区域的一部分上，形成上磁层56，并在上磁层上也形成由Ta,Ti,Cu,W或其类似物构成的上电极57。例如，上磁层56具有0.5微米的宽度WH。如此形成由氧化铝构成的上间隙层58，以便盖住上电极57和隧道绝缘层55，并在其上进一步形成由NiFe或其类似物构成的上屏蔽层59。用这种方式，由下磁层52、中间层(隧道绝缘层)55和上磁层56构成了一种铁磁隧道结元件，并通过使所述铁磁隧道结元件和用于把磁场的改变转换成电阻的改变的转换元件相连，便构成了按照本发明上述实施例的磁检测器。此处用于把磁场的改变转换成电阻的改变的转换元件包括前面参照图4所述的电流源和电压检测器，虽然在图9A和9B中没有示出。
如图9A所示，磁盘60对着图9B所示的表面。如前所述，对着磁记录介质的磁头的表面(即图9B所示的表面)包括用于支撑磁检测器的支撑基片，和具有第一磁层、隧道绝缘层和第二磁层的铁磁隧道结元件，它们被相继地形成在支撑基片上。磁盘60沿着垂直于图9B中下磁层52的上表面或下表面(即在图9B中的垂直方向)的方向运动，同时和图9B所示的表面保持一定距离。根据磁盘60的磁化状态，在下磁层52中产生的磁场的方向和大小被改变。当在磁盘60上磁化的信息被读出时，便在左侧的下电极54A和上电极57之间通过一恒定电流，并在两个电极之间检测电压。此外，可以在右侧的下电极54B和上电极57之间通过一个恒定电流，并可以在左侧的下电极54A和上电极57之间检测电压。反之亦然。
在上述的例子中，虽然说明了使用Co和FeNi作为铁磁材料，使用FeMn作为反铁磁材料的情况，但是，也可以使用其它的材料。此外，虽然本发明的磁检测器被应用于图9A和图9B所示的例子中的磁盘的磁头中，但是按照这个例子的磁检测器也可以应用于其它的装置中。例如，其可以用作旋转编码器的磁检测器。
在磁检测器中的每个层的形成不仅可以按照上述通过溅射方法形成，而且可以通过物理汽化淀积(PVD)方法形成，利用这种方法，一般地说，即使在相当小的厚度下，也容易形成没有缺陷例如针孔的膜。例如，可以使用蒸发技术。
下面说明按照本发明另一实施例的铁磁隧道结元件，其隧道结具有沿所施加电压的方向为对称的电压-电阻特性。本实施例的铁磁隧道结元件包括一铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构。虽然可以使用任何铁磁材料，只要其呈现铁磁性质即可，但是一般地说，使用金属例如镍、铁或钴或者这些金属的合金。作为绝缘体，可以使用任何具有电绝缘性质的非磁材料，例如绝缘材料氧化铝。此外，本发明的铁磁隧道结元件除去构成隧道结的铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的叠层之外，还可包括另一个材料层。
在本发明的本实施例的铁磁隧道结元件中，重要的是隧道结部分具有相对于所施加电压的方向为非对称的电压-电阻特性。作为本实施例的铁磁隧道结元件的第一个例子，下面说明包括Co/氧化铝/Co的结结构的铁磁隧道结元件。
利用溅射方法在硅基片上相继形成NiFe(50nm)/Co(3.3nm)/Al(1.3nm)薄膜，并通过氧的等离子体使Al的表面被氧化。此处的NiFe表示镍和铁的合金(坡莫合金)。每种薄膜材料后面括号中所列数字表示膜的厚度，在下面的说明中也用这种表示。此后，按照顺序形成Co(3.3nm)/NiFe(20nm)/FeMn(45nm)/NiFe(20nm)膜，从而制成包括Co/氧化铝/Co的隧道结的铁磁隧道结元件。这种隧道结元件呈现的电阻(MR)改变率最大大约为16％。其具有如图10所示的V-R特性，所示的特性接近对称的，并且和常规的元件一样，其中心在0V的施加电压上。
当结元件在250℃下经过1小时的热处理时，电阻的改变率被保持在16％。不过，结元件在被热处理之后，具有相对于0V的施加电压线非常不对称的V-R特性，如图11所示。这个偏移量大约为300到400mV。
因而，在被热处理之后，隧道结元件具有相对于0V施加电压附近的施加电压单调减少的电阻值的特性，因为最大电阻值的点在V-R曲线中发生了偏移。所述特性取决于作为阻挡层的绝缘层以及在绝缘层和铁磁材料层之间的界面的状态。
另一方面，在被热处理之后的隧道结元件的V-ΔR曲线如图12所示。所示的曲线和常规元件的曲线相同，其几乎是对称的，以0V的施加电压线为中心。因而所述元件在0V施加电压附近具有最大的电阻改变。据认为，这是因为电阻改变的减小是由于在和阻挡层的性能不同的界面上磁振子的激励引起的。
隧道结元件在被热处理之后的V-MR特性如图13所示(该图的横轴表示施加电压的绝对值)。可以看出，因为图11的V-R特性的不对称，在正负电压侧电阻改变率相对于施加电压的减少方式互不相同，在正电压侧，电阻改变率的减小受到限制，即，V-MR特性发生偏移。
据认为在本例中V-MR特性偏移的机理如下。
据认为，在形成铝膜之后，立即对其表面上的铝进行氧化，以便形成作为绝缘体的氧化铝，因此绝缘层的上部分被转换成氧化物，而膜的下部的氧化程度较小，因此，铝仍然保持原样。当在这种状态下图14A示意地表示的并在图中被表示为Al-AlO的绝缘层被热处理时，绝缘层的表面难于受到热处理的影响，因为其上形成有稳定的氧化铝。不过，在绝缘层的下部分，据认为，剩余的铝的一部分和在Co层(1)下方的Co的一部分由于热处理而被扩散形成固溶体，并且这导致在两层之间的边界区域形成Co-Al层，其中二者以组合物的形态存在，如图14B示意地表示的那样。因而，据认为，在作为隧道阻挡层的氧化铝绝缘层的每一侧上存在具有其成分互不相同的层〔Co-Al层和Co层(2)〕，因而提供不对称的V-R特性。
在图14A和B中，横轴z代表隧道结厚度的方向，并同时表示在隧道结元件中施加电压的方向。其中，在基于氧化铝的绝缘层的左侧上的Co层(1)表示初始形成的铁磁材料层，在右侧的Co层(2)表示在铝膜被氧化之后形成的铁磁材料层。
用这种方式，通过选择作为绝缘体材料的一种材料，其和与其接触的铁磁材料层中使用的材料一起形成固溶体，可以在绝缘材料层和一个铁磁材料层之间的界面的邻域内形成两种材料的固溶体，因而，在和绝缘层接触的每一侧上的层的材料可以互不相同。这种固溶体可以只在一个和绝缘层接触的磁层中被形成，如上所述，例如通过由非磁金属形成绝缘材料层，所述非磁金属和作为铁磁材料的Co,Fe,Ni以及这些金属的合金一起形成固溶体，接着，通过自然氧化或等离子体氧化对其表面的邻域进行氧化，从而产生氧化不足的下部，然后进行热处理。
作为另一个例子，当绝缘体材料是氧化物例如氧化铝时，借助于控制在绝缘阻挡层中的氧的浓度的分布，也可以获得类似的效果。如图15所示，通过形成阻挡层，使得其氧的浓度从形成的铝层的表面向内部而减少，可以获得具有不对称的V-R特性的隧道结元件。虽然氧的浓度的这种分布只借助于在形成铝膜之后从表面进行氧化而在某个程度上被产生，但是可以通过控制氧化或进行热处理的条件可以使得在一个较大的程度上产生浓度分布。氧化条件的控制例如可以通过控制等离子体氧化的条件(等离子体装置的功率、气体的数量、处理时间等)来实现。在图15中，纵坐标表示氧的浓度，横坐标z表示隧道结厚度的方向，也表示在图14所示的元件中施加的电压的方向。
下面说明一个例子，其中在绝缘层形成期间不通过热处理便能在厚度方向产生成分的分布。
例如，如图16所示，可以通过沿着向右的箭头指示的移动方向移动基片113的位置，与此同时，同时溅射两个或几个靶111、112而在基片113上形成的绝缘层的厚度方向产生成分分布。此外，如图17所示，通过随时间改变被输入到两个或多个靶111’、112’的电功率的比例，如下部的曲线所示，借以控制从各个靶到达其上形成有绝缘层的基片113’的元素的频率，可以在形成的绝缘层中沿其厚度方向产生成分分布。除去上述的溅射方法之外，也可以例如通过蒸发或者分子束外延方法沿厚度方向形成具有成分分布的绝缘层。
在另一个例子中，通过层叠具有不同成分或结构的多个膜可以形成绝缘层。例如，如图18所示，通过在铁磁材料层121和122之间层叠成分不同的3个膜123,124和125，可以形成绝缘层126。在该图中，铁磁材料层121/绝缘层126/铁磁材料层122的叠层构成本发明的铁磁隧道结。
这样通过层叠成分不同的膜123,124,125而形成的绝缘层126沿着表示在绝缘层(隧道阻挡层)中施加电压的方向的z轴关于某种成分(例如在氧化铝绝缘层中的氧)没有连续的成分分布，如图19A所示。不过，因为浓度分布是不对称的，在隧道结元件中的V-R特性也是不对称的，可以得到减少元件的电阻值对电压的依赖性的效果。通过对由层叠图18中的3个膜而形成的绝缘层126进行热处理，可以改变图19A所示的层叠的绝缘层26中的某个成分的台阶状的浓度分布曲线，使其接近一个连续的曲线，如图19B所示。
下面再说明一个在绝缘层中沿其厚度方向形成成分分布的例子。在这个例子中，金属模例如铝膜例如在形成氧化物绝缘层期间在含有氧的气氛中被形成。如图20所示，当绝缘层(未示出)在室131内使用铝靶132通过溅射方法而被形成在基片133上时，通过在用于形成膜的室131内送入氧气可以调节绝缘层内的氧的浓度，同时对铝进行氧化，并通过流量控制装置134随时间控制被送入的氧的数量，如图下方的曲线所示，从而得到具有不对称的V-R特性的元件。
如上所述，在本发明中，可以通过多种方法制造具有不对称的V-R特性的铁磁隧道结元件。本发明的本实施例的铁磁隧道结元件具有一种结结构，其中绝缘层128位于铁磁材料层121和122之间，如示意图18所示。虽然图18中的绝缘层126由层叠不同成分的绝缘膜123,124,125制成，由上述可见，当然，在本发明中的绝缘层126可以由一种材料形成膜，并沿施加电压的方向改变其成分来制成。
此外，除去构成隧道结的铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构之外，本发明的铁磁隧道结元件也可以包括一层或几层其它的一种材料或几种材料，如前所述。
具有相对于所施加电压方向不对称的V-R特性的并具有减少的电阻值和电阻改变率对电压的依赖性的本发明的铁磁隧道结元件，最好被用于磁检测器中，所述磁检测器包括一支撑基片，一铁磁隧道结元件，以及一用于把磁场的改变转换为电阻的改变的元件，如前所述的本发明实施例的铁磁隧道结元件。因而，本实施例的磁检测器包括：
(a)一支撑基片，
(b)一铁磁隧道结元件，其包括一被在该支撑基片上形成的铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的隧道结，所述隧道结具有沿所施加电压的方向为不对称的电压-电阻特性，以及
(c)一用于把磁场的改变转换为电阻的改变的转换元件。
本发明的这种磁检测器可被广泛地用作检测磁场用的磁检测器，或用于读高密度磁记录之类的磁头中。
按照本发明，提供一种包括两或多个具有相对于所施加电压方向不对称的V-R特性的由铁磁材料/绝缘体/磁材料构成的隧道结的实施例也是可能的，并且，通过利用这种结构减少电阻值和电阻改变率对于电压的相关性，也可以实现一种具有较小的电阻改变的铁磁隧道结元件。
作为包括这种多个隧道结的元件的例子，可以参阅具有磁层(1)/绝缘层(1)/磁层(2)/绝缘层(2)/磁层(3)的层叠结构的元件。在这种情况下，一个隧道结由磁层(1)/绝缘层(1)/磁层(2)构成，另一个隧道结由磁层(2)/绝缘层(2)/磁层(3)构成。这两个隧道结以这样的方式组合，使得其电阻对电压的相关性是相互对称的，借以使得可以减少整个元件的电阻值和电阻改变率对电压的相关性。在这种结构的元件中，两个外磁层(1)和(3)的磁化方向是固定的。
此外，在上述包括两个隧道结的元件中，磁层(2)的磁化方向可以受到由磁层(1)和(3)的端部产生的磁场的影响；为避免这个问题，每个磁层(1)和(3)可以具有铁磁层(a)/非磁层(b)/铁磁层(c)的三层结构。在这种情况下，铁磁层(a)和(c)通过非磁层(b)被反铁磁地耦连。
接着，具体说明一种包括这种多个隧道结的实施例。在所述的实施例中，具有如图21所示的电阻值最大的一点向正电压侧移动的V-R曲线的隧道结1和具有电阻值最大的一点向负电压侧移动的曲线的隧道结2串联连接而形成一个元件。
这种结构的一种铁磁隧道结元件的组合的V-R特性如图22所示，以便和常规的隧道结元件的V-R特性比较，其中电阻值为最大的一点对于0V的施加电压没有偏移。在该图中，由虚线表示的曲线A表示常规的隧道结元件的未偏移的V-R特性，如前面的图3所示，由实线表示的曲线B是通过使两个结1和2串联连接而成的本发明的铁磁隧道结元件的组合的V-R特性。在本发明的隧道结元件中，对所施加电压结1的电阻R被增加和减少的方向的效果，和对所施加电压结2的电阻也被增加和减少的方向的效果相互抵销了，因而和常规的隧道结元件相比，电阻对于电压的依赖性在一个宽的电压范围内被限制为一个小的值。
此外，在具有两个串联连接使得呈现相反极性的两个结的本发明的铁磁隧道结元件中，因为串联连接而使电压被分配给各个结，因而电阻改变率对于电压的相关性被改善了，其是在对它们进行串联组合之前两个元件的1/2。类似地，在两个结被并联连接的情况下，组合的电阻的改变也被限制，因为两种类型的结具有沿相反方向改变的电阻。
在图23中，示意地示出了用于读磁记录的磁头，所述的磁头使用包括具有不对称的V-R特性的并被串联连接使得呈现相反极性的两个结的本发明的铁磁隧道结元件150。图中所示的一面是对着磁记录介质的所述磁头的一面。一般地说，在这种读磁头中，用于检测磁场的元件150被插在上屏蔽141和下屏蔽142之间的读间隙143中。在图中所示的例子中，所述元件150是本发明的铁磁隧道结元件，元件150具有反铁磁层151/磁层152/绝缘层153/磁层154/绝缘层155/磁层156/反铁磁层157的层叠结构。这种层叠结构也可以包括一支撑基片(未示出)，用于相继地形成层151到157。在磁层152,154,156中示出的箭头表示在各层中磁化的方向，并且在磁层152和156中磁化的方向是固定的。
虽然磁层152和156可以是任何种类的材料，只要所述材料是基于Fe,Co,Ni,或这些金属的合金的铁磁材料即可，不过最好使用具有高的极化率的金属材料，因为它们提供大的电阻改变率。作为具有高的极化率的这种金属的例子，可以提及Co-Fe合金。对于反铁磁层151,157，使用在磁层152,156的金属材料中包括单向各向异性的材料，例如FeMn,IrMn,PdPtMn,NiO和RhMn。中间磁层154由具有在外磁场中容易改变磁化方向的性能的软磁材料制成。作为这种材料的一个例子，可以提及的有NiFe合金。磁层152,154,156并不总是需要用一层膜制成，磁层152和156可以是由成分不同的两层或多层铁磁金属的多层膜构成，磁层154可以是包括软磁材料层的多层膜。例如，磁层152和156还提供好的元件性能，其中分别使用例如NiFe，其容易在和反铁磁层151和157接触的一侧引起单向各向异性，并在和绝缘层153和155接触的一侧使用具有大的极化率的材料，例如CoFe。磁层154还提供其它的好的元件性能，其中在中部使用软磁材料例如NiFe合金，并在两侧使用具有大的极化率的铁磁材料，例如CoFe合金。因而，在本例中用于磁头中的元件150可以由其中绝缘层153和155分别被铁磁层夹在中间的结构的结制成，或者可以由具有这样结构的结制成，其中铁磁层被用作包括绝缘层153和155的层叠结构的外磁层152和156，并使用软磁层作为中间磁层154。
绝缘层153和155被以这样的方式形成，使得在其V-R曲线中的电阻值最大的一点朝向相反电压侧偏移。即，由磁层152/绝缘层153/磁层154构成所第一隧道结和由磁层154/绝缘层155/磁层156构成的第二隧道结被这样构成，使得具有相互不对称的电阻对电压的相关性。
在磁头中使用的元件具有图23所示的结构的情况下，特别是当读间隙具有减少的宽度时，中间磁层154的磁化方向受磁层152和156外端部产生的磁场的影响，因而，不能获得对于磁场的足够的灵敏度。在这种情况下，对于磁场的灵敏度的不足可以利用相应于具有铁磁层/非磁层/铁磁层的三层结构的图23所示的隧道结元件150的磁层152和156的部分进行补偿。
使用其中相应于图23中的外部磁层152和156的部分具有这种三层结构的隧道结元件的磁头被示意地示于图24。在这个例子中，和图23所示的磁头中使用的相同的元件使用和图23相同的标号。如图24所示，在本实施例的磁头中使用铁磁隧道结元件160，所述元件和图23所示的类似，只是相应于图23中的元件150的磁层152的部分162具有铁磁层162a/非磁层162b/铁磁层162c的三层结构，类似地，相应于磁层156的部分166具有铁磁层166a/非磁层166b/铁磁层166c的三层结构。已知在这种铁磁层/非磁层/铁磁层的三层结构中，通过使用具有1nm数量级的厚度的中间非磁层162b,166b，在层162b的两侧上的铁磁层162a,162c的磁化是反铁磁耦连的，并且在层166b的两侧上的铁磁层166a,166c的磁化是反磁耦连的。也就是说，在磁层162a(或166a)和磁层162c(166c)中的磁化的方向和图24中箭头指示的方向相反。用这种方式，磁场在磁层162a,162c之间，或者在磁层166a,166c之间是闭合的，因而，可以消除对磁层154中的磁化方向的影响。
在这种情况下，过渡金属元素例如Cu和Ru可被用于隧道结元件160的非磁层162b,166b。另一方面，在元件160中除去非磁层162b,166b之外的各层中，可以使用对于图23所示的磁头所述的材料类似的材料。
在用于图23和24所示的磁头中的铁磁隧道结元件150和160中，可以发生谐振隧道效应(量子谐振隧道效应)。在发生谐振隧道效应时，隧道电子的波函数在中间磁层154的内部形成驻波，并因而改变隧道几率。借助于此，通过设计中间磁层154使得其具有借助于谐振隧道效应使隧道几率增加的厚度可以减少隧道电阻。
如上所述，本发明的磁头包括本发明的铁磁隧道结元件，本发明的铁磁隧道结元件包括一铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的隧道结，所述的隧道结具有对于所施加电压的方向不对称的电压-电阻特性，其中铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的各层被设置在朝向磁记录介质的磁头的表面中。
本发明的铁磁隧道结元件不仅适用于这种磁头，而且也适用于其它装置。例如，其也适用于前述的旋转编码器中的磁检测器。此外，其还适用于这样的装置，其中在铁磁隧道结元件的隧道结中的两个层的磁化状态相应于记录的状态(on/off)，并且借助于隧道电阻的大小进行读操作。因此，本发明不限于本说明所述的特定实施例和具体的例子，而可以作出各种改变和改型。
如上所述，按照本发明，当形成用于形成铁磁隧道结的隧道绝缘层的铝膜时，通过使用具有99.999％的特别高纯度的铝靶材料，使得即使在隧道绝缘层具有较大的厚度时也能保持元件具有相当高的MR比。借助于具有较大厚度的隧道绝缘层，可以避免在隧道绝缘层被形成之前在其中产生例如针孔的缺陷，从而改善铁磁隧道结元件的可靠性，并提高铁磁隧道结元件的生产率。
此外，按照本发明，通过使用具有被减少的电阻值和电阻改变率对电压的依赖性的铁磁隧道结元件，可以制造使用这种元件的磁检测器。
由上述可见，作为例子，本发明的特征例举如下：
1．一种磁检测器，它包括：
(1)一支撑基片，
(2)一铁磁隧道结元件，其具有在该支撑基片上的第一磁层，在所述第一磁层上的隧道绝缘层，所述隧道绝缘层包括氧化铝，所述氧化铝是由氧化在第一磁层上形成的铝膜获得的，所述铝膜是使用99.999％或更高纯度的铝靶通过溅射形成的，以及在隧道绝缘层上的第二磁层，以及
(3)一用于把磁场的改变转换为电阻的改变的转换元件。
2．如前项1所述的磁检测器，其中第一磁层由NiFe层和Co层构成的两层膜构成，并且Co层和该隧道绝缘层接触。
3．如前项1,2所述的磁检测器，其中第二磁层由多层膜构成，其中Co层，NiFe层，FeMn层和NiFe层被相继地形成，并且Co层和该隧道绝缘层接触。
4．如前项1到3中任何一个所述的磁检测器，其中在第一和第二磁层的一个磁层中磁化的方向借助于外部磁场被自由地改变，并且在另一个磁层中的磁化方向当该外部磁场小于某个值时不受外部磁场的影响而固定不变。
5．一种用于生产磁检测器的方法，所述磁检测器包括(1)一支撑基片，(2)一铁磁隧道结元件，其具有在该支撑基片上的第一磁层，在所述第一磁层上的隧道绝缘层，以及在隧道绝缘层上的第二磁层，以及(3)一用于把磁场的改变转换为电阻的改变的转换元件，其中铁磁隧道结元件利用包括以下步骤的方法制造：在支撑基片上形成第一磁层；溅射具有99.999％或更高纯度的铝靶，从而在第一磁层上形成一铝膜；对所述铝膜进行氧化，以使其转换为包括氧化铝的隧道绝缘层；并在该隧道绝缘层上形成第二磁层。
6．如前项5所述的方法，其中在铝靶溅射之前的大气压力不大于2×10-4帕。
7．如前项5或6所述的方法，其中在第一磁层上形成的铝膜的厚度为1.7-3.5nm。
8．如前项5-7中任何一个所述的方法，其中在第一磁层上的铝膜被在氧的等离子体中氧化，从而被转换成包括氧化铝的隧道绝缘层。
9．一种磁头，包括前项1到4中任何一个所述的磁检测器。
10．如前项9所述的磁头，其中所述磁头朝向磁记录介质的一面包括该支撑基片和具有被相继形成在所述支撑基片上的第一磁层，隧道绝缘层和第二磁层的铁磁隧道结元件。
11．一种铁磁隧道结元件，其包括铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的隧道结，并且所述隧道结具有相对于所施加电压的方向为不对称的电压-电阻特性。
12．如前项11所述的铁磁隧道结元件，其中在所述绝缘体层中使用这样一种材料，所述材料具有相对于对元件施加的电压的方向为不对称的成分分布。
13．如前项12所述的铁磁隧道结元件，其中该绝缘体是一种氧化物，并且所述氧化物中氧的浓度相对于对元件所施加电压的方向是不对称的。
14．如前项11所述的铁磁隧道结元件，其中用于和绝缘体层接触的两层的材料互不相同。
15．如前项14所述的铁磁隧道结元件，其中在绝缘体层和与绝缘体层接触的一层铁磁材料之间的边界中存在绝缘体和铁磁材料的成分的固溶体，使得和绝缘体层接触的两层的材料互不相同。
16．如前项11到15中任何一个所述的铁磁隧道结元件，其包括多个隧道结，并通过按这样一种方式串联连接这些隧道结而被构成，以使它们相对于电压的增加而产生的电阻的改变的方向相反。
17．如前项11到15中任何一个所述的铁磁隧道结元件，其包括多个隧道结，并通过按这样一种方式并联连接这些隧道结而被构成，以使它们相对于电压的增加而产生的电阻的改变的方向相反。
18．如前项16所述的铁磁隧道结元件，其具有磁层(1)/绝缘层(1)/磁层(2)/绝缘层(2)/磁层(3)的层叠结构，并且其中磁层(1)/绝缘层(1)/磁层(2)形成一个隧道结，磁层(2)/绝缘层(2)/磁层(3)形成另一个隧道结，这两个隧道结以这样的方式被组合，使得它们的电阻与电压之间相关性相互对称，借以使整个隧道结元件的电阻值和电阻改变率与电压的相关性能够被减小，并且其中外部磁层(1)和(3)的磁化方向是固定的。
19．如前项18所述的铁磁隧道结元件，其中每个磁层(1)和(3)具有铁磁层(a)/非磁层(b)/铁磁层(c)的三层结构，并且铁磁层(a)和(c)是通过非磁层(b)反铁磁耦连的。
20．如前项18或19所述的铁磁隧道结元件，其中磁层(2)具有一个这样的厚度，在此厚度下发生量子谐振隧道效应。
21．一种磁检测器，包括：
(a)一支撑基片，
(b)一铁磁隧道结元件，其包括一被形成在所述支撑基片上的铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的隧道结，所述隧道结具有沿所施加电压的方向为不对称的电压-电阻特性，以及
(c)用于把磁场的改变转换为电阻的改变的转换元件。
22．如前项21所述的磁检测器，其中在绝缘体层中使用具有相对于对元件所施加电压的方向为不对称的成分分布的材料。
23．如前项22所述的磁检测器，其中该绝缘体是氧化物，并且该氧化物中氧的浓度相对于对元件所施加电压的方向是不对称的。
24．如前项21所述的磁检测器，其中和绝缘体层接触的两层的材料互不相同。
25．如前项24所述的磁检测器，其中和绝缘体层接触的两层的材料互不相同，因为其中在绝缘体层和与绝缘体层接触的一层铁磁材料之间的边界中存在绝缘体和铁磁材料的成分的固溶体。
26．如前项21到25中任何一个所述的磁检测器，其中该铁磁隧道结元件包括多个隧道结，并且这些隧道结按这样一种方式串联连接，使得它们对于电压的增加而产生的电阻改变的方向相反。
27．如前项21到25中任何一个所述的磁检测器，其中该铁磁隧道结元件包括多个隧道结，并且这些隧道结按这样一种方式并联连接，使得它们相对于电压的增加而产生的电阻的改变的方向相反。
28．如前项26所述的磁检测器，其中所述铁磁隧道结元件具有磁层(1)/绝缘层(1)/磁层(2)/绝缘层(2)/磁层(3)的层叠结构，并且其中磁层(1)/绝缘层(1)/磁层(2)形成一个隧道结，磁层(2)/绝缘层(2)/磁层(3)形成另一个隧道结，这两个隧道结以这样的方式被组合，使得它们的电阻与电压之间相关性相互对称，借以使整个隧道结元件的电阻值和电阻的改变率与电压的相关性能够被减小，并且其中外部磁层(1)和(3)的磁化方向是固定的。
29．如前项28所述的磁检测器，其中每个磁层(1)和(3)具有铁磁层(a)/非磁层(b)/铁磁层(c)的三层结构，并且铁磁层(a)和(c)是通过非磁层(b)反铁磁耦连的。
30．如前项28或29所述的磁检测器，其中磁层(2)具有一个这样的厚度，在此厚度下发生量子谐振隧道效应。
31．一种磁头，其包括前项21到30中任何一个所述的磁检测器。
32．如前项31所述的磁头，其中铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的各层被设置在所述磁头朝向磁记录介质的一面中。
33．一种用于生产铁磁隧道结元件的方法，所述铁磁隧道结元件包括一铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的隧道结，所述方法包括赋予所述隧道结以沿对其所施加电压的方向为不对称的电压-电阻特性。
34．如前项33所述的方法，其中赋予隧道结以不对称的电压-电阻特性通过包括以下步骤的处理进行：
(1)在一层第一铁磁材料的表面上通过淀积而形成一非磁材料的薄膜，所述非磁材料是一种用作绝缘体的材料，并且能够和第一铁磁材料一起形成固溶体，
(2)使氧从非磁材料的表面和其进行反应，从而在所述表面侧的一个区域对薄膜进行氧化，以便将其转换为绝缘体，
(3)在所述非磁材料薄膜的被氧化的表面上淀积并形成一第二铁磁材料层，以及
(4)在通过热处理在步骤(2)中被转换为绝缘体的区域的下方形成一第一铁磁材料和非磁材料的固溶体。
35．如前项33所述的方法，其中绝缘体是一种氧化物，并且其中绝缘体层被在氧气氛中形成，并且在形成所述绝缘体层期间，在该气氛中的氧的局部压力随时间而改变。
36．如前项33所述的方法，其中利用以下步骤形成一个隧道结：使用这样一种材料作为绝缘体，所述材料具有相对于元件所施加电压的方向为不对称的成分分布，或者利用以下步骤形成一隧道结：使用不同的材料作为绝缘体而形成隧道结，所述不同材料处于和所述隧道结的两侧上的绝缘体层接触的层中，并对所述结进行热处理。
37．如前项33所述的方法，其中形成一隧道结，所述隧道结包括一种作为绝缘体的氧化物，其中氧的浓度相对于对元件所施加电压的方向是不对称的，并对所述结进行热处理。

Claims (26)

1．一种磁检测器，它包括：
(1)一支撑基片，
(2)一铁磁隧道结元件，其具有在该支撑基片上的第一磁层，在所述第一磁层上的隧道绝缘层，所述隧道绝缘层包括氧化铝，所述氧化铝是由氧化在第一磁层上形成的铝膜获得的，所述铝膜是使用99.999％或更高纯度的铝靶通过溅射形成的，以及在隧道绝缘层上的第二磁层，以及
(3)一用于把磁场的改变转换为电阻的改变的转换元件。
2．如权利要求1所述的磁检测器，其中第一磁层由NiFe层和Co层构成的两层膜构成，并且Co层和该隧道绝缘层接触。
3．如权利要求1或2所述的磁检测器，其中第二磁层由多层膜构成，其中Co层，NiFe层，FeMn层和NiFe层被相继地形成，并且Co层和该隧道绝缘层接触。
4．如权利要求1到3任何一个所述的磁检测器，其中在第一和第二磁层的一个磁层中磁化的方向借助于外部磁场被自由地改变，并且在另一个磁层中的磁化方向当该外部磁场小于某个值时不受外部磁场的影响而固定不变。
5．一种用于生产磁检测器的方法，所述磁检测器包括(1)一支撑基片，(2)一铁磁隧道结元件，其具有在该支撑基片上的第一磁层，在所述第一磁层上的隧道绝缘层，以及在隧道绝缘层上的第二磁层，以及(3)一用于把磁场的改变转换为电阻的改变的转换元件，其中铁磁隧道结元件利用包括以下步骤的方法制造：在一支撑基片上形成第一磁层；溅射具有99.999％或更高纯度的铝靶，从而在第一磁层上形成一铝膜；对所述铝膜进行氧化，以使其转换为包括氧化铝的隧道绝缘层；并在该隧道绝缘层上形成第二磁层。
6．如权利要求5所述的方法，其中在铝靶溅射之前的大气压力不大于2×10-4帕。
7．如权利要求5或6所述的方法，其中在第一磁层上形成的铝膜的厚度为1.7-3.5nm。
8．如权利要求5-7中任何一个所述的方法，其中在第一磁层上的铝膜被在氧的等离子体中氧化，从而被转换成包括氧化铝的隧道绝缘层。
9．一种磁头，包括权利要求1到4中任何一个所述的磁检测器。
10．如权利要求9所述的磁头，其中所述磁头朝向磁记录介质的一面包括该支撑基片和具有被相继形成在所述支撑基片上的第一磁层，隧道绝缘层和第二磁层的铁磁隧道结元件。
11．一种铁磁隧道结元件，其包括铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的隧道结，并且所述隧道结具有相对于所施加电压的方向为不对称的电压-电阻特性。
12．如权利要求11所述的铁磁隧道结元件，其中在所述绝缘体层中使用这样一种材料，所述材料具有相对于对元件施加的电压的方向为不对称的成分分布。
13．如权利要求12所述的铁磁隧道结元件，其中该绝缘体是一种氧化物，并且所述氧化物中氧的浓度相对于对元件所施加电压的方向是不对称的。
14．如权利要求11所述的铁磁隧道结元件，其中在绝缘体层和与绝缘体层接触的一层铁磁材料之间的边界中存在绝缘体和铁磁材料的成分的固溶体，这使得和绝缘体层接触的两层的材料互不相同。
15．如权利要求11到14中任何一个所述的铁磁隧道结元件，其包括多个隧道结，并通过按这样一种方式串联连接这些隧道结而被构成，以使它们相对于电压的增加而产生的电阻的改变的方向相反。
16．如权利要求11到14中任何一个所述的铁磁隧道结元件，其包括多个隧道结，并通过按这样一种方式并联连接这些隧道结而被构成，以使它们相对于电压的增加而产生的电阻的改变的方向相反。
17．如权利要求15所述的铁磁隧道结元件，其具有磁层(1)/绝缘层(1)/磁层(2)/绝缘层(2)/磁层(3)的层叠结构，并且其中磁层(1)/绝缘层(1)/磁层(2)形成一个隧道结，磁层(2)/绝缘层(2)/磁层(3)形成另一个隧道结，这两个隧道结以这样的方式被组合，使得它们的电阻与电压之间相关性相互对称，借以使整个隧道结元件的电阻值和电阻改变率与电压的相关性能够被减小，并且其中外部磁层(1)和(3)的磁化方向是固定的。
18．如权利要求17所述的铁磁隧道结元件，其中每个磁层(1)和(3)具有铁磁层(a)/非磁层(b)/铁磁层(c)的三层结构，并且铁磁层(a)和(c)是通过非磁层(b)反铁磁耦连的。
19．如权利要求17或18所述的铁磁隧道结元件，其中磁层(2)具有一个这样的厚度，在此厚度下发生量子谐振隧道效应。
20．一种磁检测器，包括：
(a)一支撑基片，
(b)一铁磁隧道结元件，其包括一被形成在所述支撑基片上的铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的隧道结，所述隧道结具有沿所施加电压的方向为不对称的电压-电阻特性，以及
(c)用于把磁场的改变转换为电阻的改变的转换元件。
21．如权利要求20所述的磁检测器，其中在绝缘体层中使用具有相对于对元件所施加电压的方向为不对称的成分分布的材料。
22．如权利要求21所述的磁检测器，其中该绝缘体是氧化物，并且该氧化物中氧的浓度相对于对元件所施加电压的方向是不对称的。
23．如权利要求20到22中任一所述的磁检测器，其中所述铁磁隧道结元件具有磁层(1)/绝缘层(1)/磁层(2)/绝缘层(2)/磁层(3)的层叠结构，并且其中磁层(1)/绝缘层(1)/磁层(2)形成一个隧道结，磁层(2)/绝缘层(2)/磁层(3)形成另一个隧道结，这两个隧道结以这样的方式被组合，使得它们的电阻与电压之间相关性相互对称，借以使整个隧道结元件的电阻值和电阻的改变率与电压的相关性能够被减小，并且其中外部磁层(1)和(3)的磁化方向是固定的。
24．如权利要求23所述的磁检测器，其中每个磁层(1)和(3)具有铁磁层(a)/非磁层(b)/铁磁层(c)的三层结构，并且铁磁层(a)和(c)是通过非磁层(b)反铁磁耦连的。
25．一种用于生产铁磁隧道结元件的方法，所述铁磁隧道结元件包括一铁磁材料/绝缘体/铁磁材料的层叠结构的隧道结，所述方法包括赋予所述隧道结以沿对其所施加电压的方向为不对称的电压-电阻特性。
26．如权利要求25所述的方法，其中赋予隧道结以不对称的电压-电阻特性通过包括以下步骤的处理进行：
(1)在一层第一铁磁材料的表面上通过淀积而形成一非磁材料的薄膜，所述非磁材料是一种用作绝缘体的材料，并且能够和第一铁磁材料一起形成固溶体，
(2)使氧从非磁材料的表面和其进行反应，从而在所述表面侧的一个区域对薄膜进行氧化，以便将其转换为绝缘体，
(3)在所述非磁材料薄膜的被氧化的表面上淀积并形成一第二铁磁材料层，以及
(4)在通过热处理在步骤(2)中被转换为绝缘体的区域的下方形成一第一铁磁材料和非磁材料的固溶体。
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