CN1534603A - 磁阻效应磁头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁阻效应磁头及其制造方法。在现有的磁阻效应磁头中，若不将磁畴控制所必须的偏置磁场控制得较大，就不能进行适当的磁畴控制。通过在磁阻效应多层膜的下部形成磁畴控制底层，使磁畴控制膜与自由层的两侧端接触，可使除磁畴控制膜外所多余的偏置磁场以最小化的状态实现适当的磁畴控制。

Description

磁阻效应磁头及其制造方法
技术领域
本发明涉及磁阻效应磁头及其制造方法。
背景技术
图2是由ABS面见到的专利文献1(日本特开2002-151755号公报)的磁阻效应磁头的传感器部分的断面图。首先，如图2所示，多层膜L由在底层1上的自由层2、非磁性层3、固定层4、反强磁性层5和覆盖层6组成。
另外，在下部绝缘间隙层8的中央部分形成隆起部分8a，从隆起部分8a的磁道宽度方向的两侧端面起形成在磁道宽度方向延长的延伸部8b。而在隆起部8a上叠层形成多层膜L。
进而，在从延伸部8b上方多层膜L的磁道宽度方向的两端面上形成由Cr等材料制成的磁畴控制底层9，而在磁畴控制底层9上形成磁畴控制膜10。磁畴控制底层9用于提高上述磁畴控制膜10的磁特性(矫顽力等)。而且，在磁畴控制膜10上形成电极膜11。
在此，使自由层2的磁化在磁道宽度方向上一致，利用由磁畴控制膜10产生的偏置磁场，控制自由层2的磁畴。
图3(a)是示意表示现有的磁阻效应磁头的传感器部分的磁量、偏置磁场Hb1，自由层反磁场Hd及相互交换作用Jex的图。
在如图3(a)所示的现有结构中，在自由层的左右两端产生磁量，在自由层内部产生与自由层的磁化方向相反方向的反磁场Hd。因而使磁畴控制变得困难。为了得到磁头噪音低的良好的再生特性，必须从磁畴控制膜10到自由层2施加足够的偏磁场HbL以控制自由层2的磁畴。
然而，在对自由层2施加足够的偏磁场HbL时，在自由层2的左右两端产生灵敏度低的区域(不灵敏区)，磁头的再生输出降低。另外，若为了避免产生反磁场HbL而不设磁畴控制底层9，使磁畴控制膜10与自由层2直接接触，则由于磁畴控制膜10的矫顽力降低而不能适当控制自由层2的磁畴。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种能够对自由层进行适当控制的磁阻效应磁头及其制造方法。
图3(b)是示意表示本发明的磁阻效应磁头的磁量、偏置磁场HbL，自由层反磁场Hd及相互交换作用Jex的图。本发明是将磁畴控制膜做成如图3(b)所示的与自由层的磁道宽度方向两侧端面接触的构造。因此，在自由层的左右两端不产生磁量，在自由层内部也不产生反磁场Hd。从而使磁畴控制变得容易。
再有，在如图3(b)所示的自由层的磁道宽度方向的两侧端的自旋和磁畴控制膜的自旋之间由于发生相互交换作用Jex，可控制自由层的自旋方向。因而，可减小为控制自由层的磁畴所必须的偏置磁场，可进行适当的磁畴控制。
另外，本发明是在多层膜的磁道宽度方向的两侧端的外侧将磁畴控制膜直接形成在磁畴控制底层之上，因而可增大磁畴控制膜的矫顽力。
附图说明
图1是从ABS侧面见到的本发明的第一实施例的磁阻效应磁头的传感器部分的断面图。
图2是从ABS侧面见到的现有的磁阻效应磁头的传感器部分的断面图。
图3是示意表示磁阻效应磁头的传感器部分的磁量、偏置磁场HbL，自由层反磁场Hd及相互交换作用Jex，的图。
图4是本发明的磁阻效应磁头的传感器部分的制造方法的第一实施例的工序图。
图5是本发明的磁阻效应磁头的传感器部分的制造方法的第一实施例的工序图。
图6是本发明的磁阻效应磁头的传感器部分的制造方法的第一实施例的工序图。
图7是表示磁畴控制底层的过离子铣削量OM和磁畴控制膜的矫顽力Hc的关系的曲线图。
图8是表示使(磁畴控制底层、底层成膜前处理、底层)改变时的MR比、自由层矫顽力Hcf、层间结合磁场Hint的曲线曲。
图9是说明传递曲线的动作原理的说明图。
图10是说明表示传递曲线的特征值、即磁阻变化量ΔR和传递曲线的开度的Vhc的说明图。
图11是对本发明和现有的磁阻效应磁头的传感器部分的传递曲线特征值进行比较的比较图。
图12是本发明的磁阻效应磁头的立体图。
图13是从ABS侧面见到的本发明的第二实施例的磁阻效应磁头的传感器部分的断面图。
具体实施方式
图1是从ABS面所见到的本发明的第一实施例的磁阻效应磁头的传感器部分的断面图。
如图1所示，在基片上(未图示)形成由NiFe合金等软磁材料组成的下部磁屏蔽层7(图1中未图示)，接着形成由Al2O3-SiO2化合物等绝缘材料构成的下部绝缘间隔层8。在下部绝缘间隔层8上形成磁畴控制底层9。磁畴控制底层9使用从Cr、Ti、W、Mo、V、Mn、Nb、Ta中选择的任一种或两种以上的非磁性材料形成。
在磁畴控制底层9上形成多层膜L。多层膜L是所谓叫作置于反磁磁性层上的单旋阀型(シングルスピンバルブ)结构。下面，对构成上述多层膜L的各层予以说明。
首先，在磁畴控制底层9的上面形成底层1。底层1由NiFeCr等非磁性材料形成，不只是单层，也可以是叠层结构。在底层1的上面形成自由层2。自由层2由NiFe合金、CoFe合金、Ru等形成，不只是单层，也可以是叠层结构。在自由层2的上面形成由Cu等非磁性导电材料构成的非磁性层3。在非磁性层3的上面形成固定层4。固定层4由CoFe合金、Ru等形成，不只是单层，也可以是叠层结构。在固定层4的上面形成由PtMn等构成的反强磁性层5。固定层4利用反强磁性层5将磁化方向固定在一定方向上。在反强磁性层5的上面形成由Ta等非磁性材料构成的间隔层6。
在多层膜L的磁道宽度方向两侧形成由CoCrPt合金构成的磁畴控制膜10。借此，由于磁畴控制膜10形成与多层膜L的两侧端面接触的构造，因而可将为控制自由层2的磁畴所必须的偏置磁场作得较小，可以提高再生输出。
在磁畴控制膜10的上面形成用于使电流在多层膜L上流动的电极膜11。电极膜11由Cr、Ta、TaW合金、Au等形成，不只是单层，也可以是叠层构造。另外，在电极膜11的上面也可以形成由Al2O3-SiO2化合物等绝缘材料构成的保护膜。
在电极膜11和间隔层6上形成由Al2O3-SiO2化合物等绝缘材料构成的电绝缘间隔层12。在上部绝缘间隔层12的上面形成由NiFe合金等软磁材料构成的上部磁屏蔽层13。
下面，说明上述磁阻效应磁头的传感器部分的制造方法。首先，如图4所示，在基片(未图示)上形成下部磁屏蔽层7、下部绝缘间隔层8和磁畴控制底层9，在磁畴控制9上形成具有底层1、自由层2、非磁性层3、固定层4、反强磁性层5、间隔层6的多层膜L。在多层膜L上形成用以形成突起的保护层14。此时，磁畴控制底层9的膜厚以单位nm表示为tUL。
这时，最好将对底层1暴露在大气中作为其前处理，然后再进行等离子氧化(纯氧气体，气压为0.9Pa、RF功率15W，时间60秒)，因为这样可提高多层膜L的MR比。另外，最好将底层1的结构做成：开始形成1nm的Ta膜并暴露在大气中，然后再在其上形成自由层的膜，因为这样可将自由层的矫顽力Hcf、层间结合磁场Hint做得几乎与图2所示的现有结构(多层膜L之下没有磁畴控制底层的结构)相等。
其次，如图5所示，将未覆盖保护层14的多层膜L及磁畴控制底层9的一部分使用离子铣削等除去。这时，将对磁畴控制底层9的过离子铣削量以mn为单位表示为OM。
随后，如图6所示，在多层膜L的侧面及其两侧的磁畴控制底层9上形成磁畴控制膜10，再在磁畴控制膜10上形成电极膜11。
最后，除去保护层14，分别形成上部绝缘间隔层12、上部磁屏蔽层13。
在本实施例中，由于在形成磁畴控制底层时不存在保护层，因而可对基片进行加热。在加热基片时，使得将上述磁畴控制底层的(200)面定向在与上述基片的表面平行的方向上变得容易。
另外，在本实施例中，当形成磁畴控制底层9使得tUL和OM的关系为0.8≤OM≤(tUL-2.2)，而且3.0≤tUL≤7.0时，可提高磁畴控制膜的矫顽力。
图7是一个曲线图，表示的是：在表面上形成Al2O3保护膜的AlTiC基片上，从下往上依次形成磁畴控制底层、多层膜L，在使用离子铣削法除去多层膜L和磁畴控制底层的一部分后，在形成磁畴控制膜的样品中，在使对磁畴控制底层的过离子铣削量OM变化时，测定磁畴控制膜的矫顽力的结果。
用于测定的样品的磁畴控制膜用Cr形成，磁畴控制膜为CoCrPt形成。而将磁畴控制底层的膜厚tUL做成7nm，将磁畴控制膜的膜厚做成10nm。
如图7所示可知，如果过离子铣削量OM为0.8≤OM≤4.8nm(tUL-2.2)，矫顽力Hc虽超过104KA/m(13000e)，但当OM＜0.8nm或OM＞4.8(tUL-2.2)时，则矫顽力HC便急剧降低。另外，若将OM作到4.8nm以上，则不能确保必须的剩余膜厚。由该结果可知，OM和tUL的最佳范围为0.8≤OM≤(tUL-2.2)，而且3.0≤tUL≤7.0。
图8是一个曲线图，表示的是：在表面上形成Al2O3保护膜、再叠层Al2O3-SiO2化合物的AlTiC基片上，从下到上依次形成磁畴控制底层、多层膜L(底层、反强磁性层、固定层、非磁性层、自由层、间隔层)的样品中，测定分别使磁畴控制底层、底层成膜前处理或底层变化时的MR比、自由层矫顽力Hcf和层间结合磁场Hint的结果。
样品：No：1-5的形成条件如表1所示。样品No：1为没有磁畴控制底层、只有多层膜构成的现有技术例子，下面将其称为标准样品。样品No：2-4由磁畴控制底层和多层膜构成。磁畴控制底层用Cr形成，膜厚为10nm。而作为底层成膜前处理为只暴露在大气中(在大气中暴露5分钟)，或在大气中暴露后进行等离子氧化(纯氧气体、气压0.9Pa、RF功率15W、时间60秒)等处理
表1
  样品号No：  磁畴控制底层 底层成膜前处理 底层
  1  - 暴露在大气中 底层A
  2  Cr10nm 暴露在大气中 底层A
  3  Cr10nm 暴露在大气中 Ta1nm→暴露在大气中→底层A
  4  Cr10nm 暴露在大气中→等离子氧化 底层A
  5  Cr10nm 暴露在大气中→等离子氧化 Ta1nm→暴露在大气中→底层A
由图8可知，在形成磁畴控制底层膜的样品No：2-4中，由于传感器电流向磁畴控制底层分流，与标准样品(样品No：1)相比其MR比降低。
由图8可知，在形成磁畴控制底层的样品No：2-4中，作为底层的前处理在暴露在大气中之后进行了等离子氧化处理的样品No：4、5与只进行暴露在大气中的处理的样品No：2、3相比，其MR比更高。
作为底层的前处理，当对只进行暴露在大气中的处理的No：2和No：3进行比较时，底层使用底层A的样品No：2的层间结合磁场Hint比标准样品(样品No：1)降低。另一方面，底层形成1nm的Ta膜，在进行暴露在大气中的处理后，成膜底层A的样品No：3的层间结合磁场Hint与标准样品(样品No：1)大致相等。
作为底层前处理，当对在进行暴露在大气中的处理后再进行等离子氧化处理的样品No：4、5进行比较时，底层使用底层A的样品No：4的自由层矫顽力Hcf比标准样品(样品No：1)更高。另一方面，底层形成1nm的Ta膜，在暴露在大气中之后成膜底层A的样品No：5的自由层矫顽力与标准样品(样品No：1)大致相等。
根据以上的结果可知，作为底层的前处理，虽然最好是在进行暴露到大气中的处理后进行等离子氧化处理，因为这样可提高MR比；但最好还是将底层的结构做成，首先形成1nm的Ta膜，在进行暴露在大气中的处理后，再在其上成膜任意的底层A，因为这样可以使自由层矫顽力Hcf、层间结合磁场Hint与标准样品大致相等。
为了验证本发明的效果，有必要做成图1所示的磁阻效应磁头，对磁阻效应与外部磁场的依赖关系、即传递曲线进行测定并予评价。下面，说明传递曲线的测定评价方法。
图9表示传递曲线的工作原理。外部磁场施加在与磁道宽度方向(Tw方向)垂直的方向(hMR方向)上，测定这时的磁阻。该例子表示在图9(a)的ΔV-H波形中。由于外部磁场的作用使自由层磁化方向与固定层磁化方向处于相同的方向时，磁阻为最小(图9(b))。由于外部磁场的作用使自由层磁化方向处于与固定层磁化方向相反的方向时，磁阻为最大(图9(d))。外部磁场为零时，由于偏置磁场及附加在自由层上的感应磁场的各向异性的作用，自由层磁量必定与固定层磁化方向垂直(图9(c))。这时，磁阻的大小为最大值与最小值之间的中间值。
当自由层的磁畴控制不充分或不适当时，在该ΔV-H传递曲线的零磁场附近的波形产生开缝。图10示出其例子。
当在外加磁场为零附近自由层的磁化状态产生磁滞时，则传递曲线上也因磁滞而产生开缝。令该开缝为a，磁阻变化量为ΔR，则将其比Vhc＝a/ΔR用作表示传递曲线的开缝程度的特征值。众所周知，当磁畴控制膜的残余磁化量小、偏置磁场不充分、或自由层的制造条件不适当，或磁畴控制膜的磁特性恶化时，该传递曲线的开缝增大。由此可以推断：零磁场时自由层的磁畴状态因单磁畴不被控制而变成复杂的磁畴状态，致使在传递曲线上产生开缝(图10(a))。与此相反，当自由层在零磁场时的磁畴状态被控制为单磁畴状态时，则传递曲线变成封闭状态(图10(b))。
另一方面，该传递曲线的ΔR及Vhc作为实际的磁头则与在磁记录媒体上进行写入读出的初作时与读出头的输出特性(磁头灵敏度及波形变动等)及噪音特性相对应。即，Vhc小，则传递曲线的开缝小，噪音特性优良。因此，在多层膜(底层，反强磁性层，非磁性层、自由层、间隔层)相同时，则可通过对Vhc的评价来评价自由层的磁畴控制是否适当。
图11是对图1所示的本发明的磁阻效应磁头进行传递曲线的评价，表示在使剩余磁化Brt变化时测定Vhc和ΔR的结果的曲线图。用于测定的磁阻效应磁头的磁畴控制底层用Cr形成，磁畴控制膜用CoCrPt形成。
由图11可知，当剩余磁化Brt增加时Vhc则降低。采用本发明的结构在Brt＝15(T·nm)时，Vhc＝0.026，ΔR＝0.046Ω的值。根据以上的结果，采用本发明的结构可以得到Vhc低的磁阻效应磁头，可以适当控制自由层的磁畴。
图13是从ABS面见到的本发明的第二实施例的磁头的磁阻效应磁头的传感器部分的断面图。本结构为使电流垂直流过多层膜的膜面的CPP型再生磁头。
如图13所示，在基片(未图示)上形成由NiFe合金等软磁材料构成的下部磁屏蔽层7，再形成磁畴控制底层9。磁畴控制底层9使用由Cr、Ti、W、Mo、V、Mn、Nb、Ta中选择任何一种或两种以上的非磁性材料形成。
在磁畴控制底层9上形成多层膜L。多层膜L为叫做所谓置于反强磁性层上的单旋阀型结构。下面，对构成上述多层膜L的各层予以说明。
首先，在磁畴控制底层9上面形成底层1。底层1由Ta、NiFeCr等非磁性材料形成，不只是单层，也可以是叠层结构。在底层1的上面形成自由层2。自由层2用CoFe合金、Ru等形成，不只是单层，也可以是叠层构造。在自由层2的上面形成由Cu或Al2O3等非磁性导电材料构成的非磁性层3。在非磁性层3的上面形成固定层4。固定层4用CoFe合金、Ru等形成，不只是单层，也可以是叠层结构。在固定层4的上面形成由PtMn等构成的反强磁性层5。固定层4的磁化方向通过反强磁性层固定在一定方向上。在反强磁性层5的上面形成由Ta等非磁性材料构成的间隔层6。
在底层1和自由层2的磁道宽度方向的两侧形成由CoCrPt合金构成的磁畴控制膜10，磁畴控制膜10不与自由层2之上的各层连接。在磁畴控制膜10的上面形成Al2O3等绝缘层24。在绝缘层24和间隔层6的上面形成NiFe合金等软磁材料构成的上部屏蔽层13。上部屏蔽层13兼用作电极，电流垂直于多层膜L的膜面流过。这样，在Cpp型再生磁头中也可使用本发明的结构。
图12是本发明的磁阻效应磁头的立体示意图。在下部磁屏蔽层15的上部通过绝缘层16有具有磁阻效应的多层膜17，与其两端斜面领接并具有磁畴控制叠层体M。在多层膜17的磁畴控制叠层体M的上部通过绝缘层18具有上部磁屏蔽层19。在上部磁屏蔽层19的上部通过绝缘层20具有下部磁极21a。下部磁极21a的一部分做成突起状的构造21b，用该部分进行记录动作。在下部磁极21a的上部有线圈23和上部磁极22a、22b。上部磁极22a的前端部分从浮起面形成槽，做成上部磁极22b由其前端进入里边的构造。通过将上部磁极分成22a、22b两部分，可以将由流过线圈23的电流在磁极内所产生的磁通有效地汇集在前端部分，以提高记录特性。该写入磁头可用作具有主磁极和付磁极的垂直记录用磁头。
采用以上的本发明，可形成磁畴控制膜与自由层的两侧端面的接触。因而，可降低自由层的磁畴控制所必须的偏置磁场，可进行适当的磁畴控制。
另外，在本发明中由发挥磁阻效应的多层膜的磁道宽度方向的两侧端面的外侧形成磁畴控制膜与磁畴控制底层的上面接触，可提高磁畴控制膜的矫顽力。

Claims (8)

1.一种磁阻效应磁头，其特征在于，具有：形成于基片上的下部磁屏蔽层，在上述下部磁屏蔽层上形成的磁畴控制底层、具有形成在上述磁畴控制底层上的底层、自由层、非磁性层、固定层及固定上述固定层的磁化方向的反强磁性层的多层膜，形成于上述磁畴控制底层上、与上述自由层的磁道宽度方向两端部接触、而且对上述自由层进行磁畴控制的磁畴控制膜，供给上述多层膜以电流的一对电极膜和形成于上述多层膜及上述电极膜上的上部磁屏蔽层。
2.一种磁阻效应磁头，其特征在于，具有：形成在基片上的下部磁屏蔽层、形成在上述磁屏蔽层上的磁畴控制底层，具有形成于上述磁畴控制底层上的底层、自由层、非磁性层、固定层及固定上述固定层的磁化方向的反强磁性层的多层膜，形成于上述磁畴控制底层上、与上述自由层的磁道宽度方向两端部接触、而且对上述自由层进行磁畴控制的磁畴控制膜，形成于上述磁畴控制膜上的绝缘膜和形成于上述多层膜及上述绝缘膜上的上部磁屏蔽层。
3.根据权利要求1或2所述的磁阻效应磁头，其特征在于：上述磁畴控制底层由Cr、Ti、W、Mo、V、Mn、Nb、Ta中选择的任何一种或两种以上的非磁性材料形成。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的磁阻效应磁头，其特征在于：将上述磁畴控制膜的膜厚定义为tUL时，与由上述磁畴控制底层的上端部和上述磁畴控制膜的最下部的距离定义的OM之间的关系为
0≤OM≤tUL
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁阻效应磁头，其特征在于：上述tUL和上述OM的关系为
0.8≤OM≤(tUL-2.2)
6.一种磁阻效应磁头的制造方法，其特征在于，具有以下工序：
在基片上形成下部磁屏蔽膜的工序、
在上述下部磁屏蔽膜上形成上述磁畴控制底层膜的工序，
在上述磁畴控制底层上形成具有底层、自由层、非磁性层、固定层，及用于将上述固定层的磁化方向固定在一定方向上的反强磁性层的多层膜的工序，
在上述多层膜的一部分上形成保护层的工序，
用离子铣削除去未覆盖上述保护层的上述多层膜及上述磁畴控制底层的一部分的工序，
在上述多层膜的磁道宽度方向的侧面及其两侧的上述磁畴控制底层上形成磁畴控制膜的成膜工序，
在上述磁畴控制膜上形成电极膜的工序，
除去上述保护层的工序，以及
在上述电极膜及上述多层膜上形成上部磁屏蔽层的工序。
7.一种磁阻效应磁头的制造方法，其特征在于，具有如下工序：
在基片上形成下部磁屏蔽层膜的工序，
在上述下部磁屏蔽膜上形成上述磁畴控制底层膜的工序，
在上述磁畴控制底层膜上形成具有底层、自由层、非磁性层、固定层及用于将上述固定层的磁化方向固定在一个方向上的反强磁性层的多层膜的工序，
在上述多层膜的一部分上形成保护层的工序，
用离子铣削除去未覆盖上述保护层的上述多层膜及上述磁畴控制底层的一部分的工序，
在上述多层膜的磁道宽度方向的侧面及其两侧的上述磁畴控制底层上形成磁畴控制膜的工序，
在上述磁畴控制膜上形成绝缘膜的工序，
除去上述保护层的工序，
在上述电极膜及上述绝缘膜上形成上部磁屏蔽层的工序。
8.根据权利要求6或7所述的磁阻效应磁头的制造方法，其特征在于：还有加热上述基片的工序。
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