CN1551111A - 磁阻磁头以及磁记录-复制装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁阻磁头，包括沿磁道方向布置的第一磁屏蔽、第一绝缘膜、磁阻膜、第二绝缘膜和第二磁屏蔽。磁阻膜包括：邻近空气支承表面的磁化自由层、当从空气支承表面方向看时沿磁头高度方向离开磁化自由层的磁化钉扎层、以及连接该磁化自由层和磁化钉扎层的非磁性中间层，磁化自由层的磁化方向可以在外部磁场中旋转，而磁化钉扎层的磁化方向在外部磁场的作用下基本上被固定。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于最先日本专利申请No.2003-48516，并要求它的优先权，该日本专利申请No.2003-48516的申请日为2003年2月26日，该文献的整个内容被本文参引。
技术领域
本发明涉及一种使用自旋阀(spin-valve)元件的磁阻磁头以及其中安装有该磁阻磁头的磁记录-复制装置。
发明背景
近年来，在磁记录-复制装置例如HDD中，记录密度提高。由于记录密度提高，作为在记录介质中的记录单元的记录位的尺寸也减小，由记录介质产生的信号磁通也较低。在这种情况下，已经使用了高灵敏性的磁阻磁头(MR磁头)，该磁阻磁头通过利用磁阻效应而直接检测介质磁通。
目前，自旋阀元件(SV-GMR)已经用作MR磁通的传感器元件，该自旋阀元件包括自旋阀(SV)膜，该自旋阀膜包括磁化钉扎(pinned)层(钉扎层)/中间层(分隔器层)/磁化自由层(自由层)，并产生很大的磁阻效应。
普通的SV-GMR磁头是屏蔽SV磁头，包括SV元件和一对磁屏蔽，SV元件夹在该对磁屏蔽之间，并有一对磁隙，且SV元件是所谓的CIP(平面内的电流)-SV元件，其中，检测电流沿平行于SV膜表面的、在平面内的方向流动。
近来，提出了所谓的CPP(垂直于平面的电流)-SV元件，其中，检测电流沿垂直于SV膜表面的方向流动。因为CPP.SV元件表示了提高的磁阻率(MR率)，因此可以预期将实现具有很高输出的GMR磁头。
当试图进一步提高记录介质的记录密度时，需要减小磁道宽度和位长度。不过，因为需要在屏蔽SV磁头中的磁屏蔽之间形成CIP-SV元件或CPP-SV元件，因此将限制屏蔽之间的距离减小以及间隙长度的减小，从而很难满足减小位长度的要求。
例如，日本专利公开(Kokai)No.6-325329公开了一种结构，其中，用于检测外部磁场的磁性底层形成为沿磁头的高度方向从空气支承表面延伸，磁性底层与磁化自由层耦合，该磁化自由层形成于远离空气支承表面的内部。在该结构中，非磁性中间层和磁化钉扎层形成于磁化自由层上，只有磁性底层形成于空气支承表面附近。
如上所述，在屏蔽GMR磁头中的间隙长度减小有限，因此，难以满足减小磁记录-复制装置中的位长度的要求。
发明概述
本发明的目的是：提供一种磁阻磁头，该磁阻磁头能够减小间隙长度和磁道宽度，并能够抑制在磁性层之间的不希望磁耦合；以及提供一种磁记录-复制装置，其中安装有特殊的磁阻磁头。
根据本发明第一方面的磁阻磁头包括：第一磁屏蔽；第一绝缘膜，该第一绝缘膜形成于第一磁屏蔽上；磁阻膜，该磁阻膜形成于第一绝缘膜上，并包括邻近空气支承表面的磁化自由层、当从空气支承表面方向看时沿磁头高度方向离开磁化自由层的磁化钉扎层、以及连接该磁化自由层和磁化钉扎层的非磁性中间层，磁化自由层的磁化方向可以在外部磁场中旋转，而磁化钉扎层的磁化方向基本在外部磁场下固定；第二绝缘膜，该第二绝缘膜形成于第一磁阻膜上；以及第二磁屏蔽，该第二磁屏蔽形成于第二绝缘膜上。
附图的简要说明
图1A是本发明第一实施例的GMR磁头沿平行于磁道宽度方向的方向的剖视图，图1B是GMR磁头沿平行于磁道方向的方向的剖视图，而图1C是GMR磁头在从空气支承表面方向看时的平面图；
图2A至2C分别是示例说明包含在本发明第一实施例的GMR磁头中的磁化自由层的结构的剖视图；
图3A至3C分别是示例说明包含在本发明第一实施例的GMR磁头中的磁化自由层的结构的剖视图；
图4A和4B分别是说明本发明第一实施例的GMR磁头的制造方法的平面图和剖视图；
图5A和5B分别是说明本发明第一实施例的GMR磁头的制造方法的平面图和剖视图；
图6A和6B分别是说明本发明第一实施例的GMR磁头的制造方法的平面图和剖视图；
图7A和7B分别是说明本发明第一实施例的GMR磁头的制造方法的平面图和剖视图；
图8A和8B分别是说明本发明第一实施例的GMR磁头的制造方法的平面图和剖视图；
图9A和9B分别是说明本发明第一实施例的GMR磁头的制造方法的平面图和剖视图；
图10A和10B分别是说明本发明第一实施例的GMR磁头的制造方法的平面图和剖视图；
图11A和11B分别是说明本发明第一实施例的GMR磁头的制造方法的平面图和剖视图；
图12A是本发明第二实施例的GMR磁头沿平行于磁道宽度方向的方向的剖视图，图12B是GMR磁头沿平行于磁道方向的方向的剖视图，而图12C是GMR磁头在从空气支承表面方向看时的平面图；
图13是本发明第三实施例的GMR磁头的剖视图，该GMR磁头的方向平行于磁道方向；
图14是本发明第四实施例的GMR磁头的剖视图，该GMR磁头的方向平行于磁道方向；
图15是表示本发明实施例的磁记录-复制装置的结构的透视图；以及
图16是表示本发明实施例的磁头组件结构的透视图。
优选实施例的详细说明
下面将参考附图介绍本发明实施例。顺便说明，相同参考标号用于在本文中所述的全部实施例中的公共部件，以便省略重复说明。还有，附图是便于对本发明进行说明和理解的简化图。尽管在这些实际元件中，各元件的部件的形状、尺寸、比例不同，但是元件的设计可以考虑下面的说明和已知技术而进行合适的变化。
第一实施例
下面将根据本发明第一实施例介绍屏蔽GMR磁头。图1A至1C表示了本实施例的屏蔽GMR磁头的结构，其中，图1A是GMR磁头沿平行于磁记录介质(未示出)的磁道宽度方向的方向的剖视图，图1B是GMR磁头沿平行于磁记录介质(未示出)的磁道方向的方向的剖视图，而图1C是表示GMR磁头在从空气支承表面(ABS)方向看时的平面图。图1A是沿图1B中所示的线1A-1A的剖视图。在图中底侧的表面表示ABS。图1B是沿图1A中所示的线1B-1B的剖视图。在图中左侧的表面表示ABS。
本实施例的GMR磁头包括环绕上述部件的绝缘非磁性膜元件用于将SV元件的电极与除图1A至1C所示部件之外的检测电路进行连接的配线。还有，保护层可以合适形成于ABS上，以便保护元件部分，防止出现与记录介质接触而产生的损坏。在某些情况下，并不形成ABS保护层。检测电路可以形成于磁头万向支架(HGA)上，该磁头万向支架中安装有GMA磁头，或者形成于磁记录-复制装置的电路板上。
下面将参考图1B示意说明本实施例的GMR磁头的结构。底部磁屏蔽(第一磁屏蔽)17、第一绝缘层13、磁阻元件(后面将详细介绍)、第二绝缘膜15和上部磁屏蔽(第二磁屏蔽)19以所述顺序堆叠在基质(未示出)上。如上所述，磁阻元件形成于一对磁屏蔽17和19之间，且绝缘层13和15分别插入该磁阻元件和磁屏蔽17和19之间。底部磁屏蔽17、磁阻元件和上部磁屏蔽19的在图1B中左侧的边缘表面构成空气支承表面(ABS)。
本实施例的磁阻元件包括磁化自由层1、非磁性中间层3和磁化钉扎层5，当从ABS方向看时，它们沿高度方向以所述顺序布置。在非磁性中间层3和磁化自由层1之间以及非磁性中间层和磁化钉扎层5之间形成连接。磁化自由层是磁化方向可以根据外部磁场而变化的层，而磁化钉扎层5是即使在外部磁场的作用下磁化方向也基本保持不变的层。
磁化钉扎层5与形成于该磁化钉扎层5附近的第一电极7电连接。磁化自由层1通过柱电极21与上部磁屏蔽19进行电连接。第一电极7和上部磁屏蔽19分别通过配线而与检测和计算电阻的电路(未示出)连接。第一电极7、柱电极21和上部磁屏蔽19中的每一个均由导电材料形成。
如图1A和1C所示，绝缘层9和11形成于磁化自由层1、非磁性中间层3、磁化钉扎层5和第一电极7的、沿磁道宽度方向的两侧上。
当通过第一电极7和上部磁屏蔽19(柱电极21)而使检测电流在磁化自由层1、非磁性中间层3和磁化钉扎层5中流动时，电子根据磁化自由层1的磁化方向和磁化钉扎层5的磁化方向之间的相对角度而在交界面上被耗散(scatter)，从而改变电阻(巨大的磁阻效应)。
更具体地说，布置在ABS附近区域中的磁化自由层1的磁化通过由磁记录介质产生的信号磁场而旋转，从而改变磁化方向。作为检测电流的电子自旋信息根据磁化方向而变化。当具有自旋信息的电子通过非磁性中间层3时，如果电子在磁化钉扎层5和非磁性中间层3之间的交界面上耗散，电子电阻将升高，而如果电子无耗散地经过，则电阻降低。当电子的自旋信息与磁化钉扎层5的磁化方向反向平行时，电子的耗散最大，而当上述自旋信息和磁化信息相互平行时，电子的耗散最小。因此，当磁化自由层1和磁化钉扎层5的磁化方向反向平行时电阻最大，而当上述磁化方向彼此平行时电阻最小。电阻值的变化与磁化自由层1的磁化方向和磁化钉扎层5的磁化方向之间的相对角度的余弦成正比(自旋阀磁阻效应)。因此，可以通过测量在磁化自由层1和磁化钉扎层5之间的电阻值而检测信号磁场的变化。
在本实施例中，当从ABS方向看时，磁化自由层1、非磁性中间层3、磁化钉扎层5和第一电极7以所述顺序沿磁头的高度方向形成于绝缘层13上。因此，可以将GMR磁头设计成使磁屏蔽17和19之间的距离小于普通屏蔽GMR磁头。例如，在本实施例中，可以使屏蔽至屏蔽间的距离为大约20nm，不过，在普通屏蔽GMR磁头中不可能获得这样小的屏蔽至屏蔽间距离。因此，本实施例可以在将来高效地获得超高密度记录。
在本实施例中，磁化自由层1和磁化钉扎层5并不象普通装置中那样沿垂直方向(磁道方向)在屏蔽之间交叠，而是沿横向布置在屏蔽之间，同时非磁性中间层3插入它们之间，即它们布置成沿横向方向彼此间开预定记录。因此，可以抑制在铁磁层之间的静磁耦合和/或层间交换耦合。还有，可以使中间层3的厚度减至2.0nm或更小。当中间层3制成为如上述较薄时，可以抑制由于量子传导效应而引起的非弹性自旋耗散。
当磁化钉扎层5堆叠在形成于基质上的磁化自由层1上，并通过蚀刻形成钉扎图形时，如现有技术中所述，由磁化钉扎层5或者形成于磁化钉扎层5上的反铁磁层进行蚀刻，从而使磁化自由层1的处理尺寸比规定尺寸更大。这产生的缺点是磁道宽度变宽。另一方面，在本实施例的结构中，磁化自由层和磁化钉扎层5可以单独处理，以便能够形成具有精确尺寸的磁化自由层1。
磁化自由层1由铁磁材料形成，该铁磁材料具有这样的矫顽磁性，以便使磁化方向能够在规定的外部磁场的作用下旋转。
磁化钉扎层5的磁化方向可以通过在该磁化钉扎层5上形成反铁磁层以获得反铁磁耦合而固定。还有，磁化钉扎层5可以这样形成，即通过使用具有不允许使磁化方向在规定外部磁场作用下旋转的矫顽磁性的铁磁材料，并通过进行比如规定的热处理而固定磁化方向。
各磁化自由层1和磁化钉扎层5都需要显示铁磁性。且各磁化自由层1和磁化钉扎层5都可以是只由铁磁材料形成的层，或者由铁磁材料和添加到该铁磁材料中的另外材料形成的层，该另外材料的添加量为不会削弱铁磁性。各磁化自由层和磁化钉扎层也可以有由多个不同铁磁膜构成的堆叠结构。而且，各磁化自由层和磁化钉扎层可以是铁磁膜和另外的非磁性膜(例如图2和3中所示的底层或保护层)的堆叠膜。
用于使底部磁屏蔽17与磁化自由层1、非磁性中间层3、磁化钉扎层5和第一电极7电绝缘的第一绝缘膜13形成底部磁隙。用于使上部磁屏蔽17与磁化自由层1、非磁性中间层3、磁化钉扎层5和第一电极7电绝缘的第二绝缘膜15形成上部磁隙。在图1A、1B和1C中表示的各绝缘层9、11、13和15由绝缘材料例如Al2O3或SiO2形成。
当夹在上部磁屏蔽19和磁化自由层1之间的柱电极21由非磁性导体形成时，柱电极21起到磁隙作用。柱电极21可以暴露在ABS上，或者可以从该ABS上凹入至使得该柱电极21能够与磁化自由层1连接。当柱电极21形成于偏离在磁化自由层和上部磁屏蔽19之间的间隙的位置处时，可以在磁化自由层1和上部磁屏蔽19之间形成磁隙例如非磁性绝缘体。为了使该磁隙较窄，可以使柱电极21由导电铁磁材料形成，象上部磁屏蔽19那样。
柱电极21的截面面积小于磁化自由层1的截面面积，如图1A中虚线所示，该图1A表示了GMR磁头沿平行于磁道宽度方向的方向的截面。这时，有效磁道宽度可以由柱电极21确定。特别是，有效磁道宽度由图1A中所示的ABS中的柱电极21的宽度来确定。因此，磁化自由层1的宽度可以制成为大于有效磁道宽度，从而提高磁头的复制效率。
通常，磁性材料的交换耦合长度为大约0.05μm至0.1μm。当处理的磁性材料小于交换耦合长度时，在磁性材料中的磁化自旋运动受到交换耦合的抑制，因此，对外部磁场的灵敏度某些降低。这样，磁化自由层的尺寸减小，灵敏度和磁头效率将降低。因此，当磁化自由层沿磁道宽度方向的长度大于交换耦合长度时，将保证对外部磁场的灵敏度。还有，当柱电极制成为沿磁道宽度方向小于磁化自由层时，可以使检测电流流入磁化自由层的高灵敏部分。因此，可以获得较高输出，同时保持磁头的复制效率。
顺便说明，当充分小的有效磁道宽度由磁化自由层1确定或者当对有效磁道宽度没有限制时，柱电极21和图1A中所示的磁化自由层1可以有相同的截面面积。
图2A、2B和2C示例说明了磁化自由层1的结构。这些附图表示了磁化自由层沿平行于磁道方向的截面。
图2A表示了堆叠的底层23、磁化自由层25和保护层27。图2B表示了堆叠的底层23、堆叠偏压层29、磁化自由层25和保护层27。图2C表示了堆叠的底层23、磁化自由层25、堆叠偏压层29和保护层27。底层23与图1B中所示的第一绝缘层13接触，而保护层27与图1B中所示的柱电极21接触。
当磁化自由层1由磁性层单独形成时，导电电子的、取决于自旋的耗散在非磁性中间层3和磁化自由层1之间的交界面上产生。另一方面，当除了磁化自由层25(和堆叠偏压层29)外还堆叠了由非磁性材料制成的底层23和保护层27时，导电电子的、取决于自旋的耗散在磁化自由层25(和堆叠偏压层29)和非磁性中间层3之间的交界面上产生。
磁化自由层25由Co、Fe或Ni形成，或者由铁磁材料(包括这样的合金，即该合金包含至少50atomic％(at％)的这些金属)形成。磁化自由层25也可以是由多个铁磁层形成的堆叠膜，这些铁磁层由不同材料制成，或者有不同组分。更具体地说，磁化自由层25可以由Co90Fe10(at％的组分比例)、CoFeNi、Ni80Fe20(at％的组分比例)、Fe、Co或Ni。
为了在磁化自由层25内部产生取决于自旋的耗散效应，磁化自由层25应当为(铁磁层/铁磁层)和它们重复堆叠的堆叠结构、(铁磁层/非磁性层)和它们重复堆叠的堆叠结构、或者通过堆叠这两种堆叠结构而制成的复杂结构。在本说明书中所用的表达式(A层/B层)表示通过使(A层)形成于绝缘层13上，并使(B层)形成于(A层)上而制成的堆叠结构。
对于(铁磁层/铁磁层)的堆叠自由层，可以采用(NiFe/CoFe)、(Fe/NiFe)或(Fe/CoFe)的组合。包含在(铁磁层/非磁性层)的堆叠自由层中的非磁性层可以由从以下组中选择的贵金属形成：Au、Ag、Cu、Ir、Ru、Rh、Pd以及Pt。能够增加在堆叠自由层中的铁磁层和非磁性层之间的交界面处的耗散的组合例如包括：(NiFe/Au)、(NiFe/Ag)、(CoFe/Cu)、(Co/Cu)、(Fe/Au)以及(Ni/Au)。
磁化自由层25可以由(磁性层/Ru/磁性层)的铁耦合层(合成自由层)形成，以便调节Ms×t产品(在饱和磁化和厚度之间的产品)。
底层23例如由Ta/NiFeCr、NiFeCr合金、Ta/Cu、Ta/Cu/Au、Ta/Ru或Ta/NiFe形成。由上述材料形成的底层能够使磁化自由层25定向成(111)提高它的软磁特征。因此，磁化自由层的矫顽磁性可以降低，并能够控制饱和磁致伸缩的绝对值。
保护层27通常由Ta层形成，优选是由堆叠的Ta层和贵金属层例如Ta/Au(或Pt、Ir、Ru、Rh)形成。因为包含在堆叠中的贵金属层可以抗RIE(反应离子蚀刻)性，因此，贵金属层作为在柱形成处理中采用RIE时的停止层，从而可以抑制由过度蚀刻而对磁化自由层25造成的损害。贵金属层也能有效减小与柱电极21的接触电阻。
图3A、3B和3C示例表示了磁化钉扎层5的结构。这些图表示了磁化钉扎层的、沿平行于磁道方向的方向的截面。
图3A表示了堆叠的底层31、磁化钉扎层33、反铁磁膜35和保护层37。图3B表示了堆叠的底层31、反铁磁膜35、磁化钉扎层33和保护层37。图3C表示了堆叠的底层31、磁化钉扎层33和保护层37。在反铁磁膜33和磁化钉扎层35之间施加交换耦合。
磁化钉扎层35由从以下组中选定的金属形成：Co、Fe和Ni，或者由铁磁材料(包括这样的合金，即该合金包含至少50at％的任意上述金属)形成。更具体地说，磁化钉扎层35例如由Co90Fe10(at％的组分比例)、CoFeNi、Ni80Fe20(at％的组分比例)、Fe、Co或Ni。
为了在磁化钉扎层内部产生取决于自旋的耗散效应，该磁化钉扎层应当为(铁磁层/铁磁层)和它们重复堆叠的堆叠结构、(铁磁层/非磁性层)和它们重复堆叠的堆叠结构、或者通过堆叠这两种堆叠结构而制成的复杂结构。
对于(铁磁层/铁磁层)的堆叠钉扎层，可以采用(NiFe/CoFe)、(Fe/NiFe)或(Fe/CoFe)的组合。包含在(铁磁层/非磁性层)的堆叠钉扎层中的非磁性层可以由从以下组中选择的贵金属形成：Au、Ag、Cu、Ir、Ru、Rh、Pd以及Pt。能够增加在铁磁层和非磁性层之间的交界面处的耗散的组合例如包括：(NiFe/Au)、(NiFe/Ag)、(CoFe/Cu)、(Co/Cu)、(Fe/Au)以及(Ni/Au)。
为了提高钉扎阻力，优选是使用由(磁性层/Ru/磁性层)形成的铁耦合层(合成钉扎层)。
反铁磁膜33例如可以由从以下组中选定的合金形成：PtMn、IrMn、RhMn、CrMn、CrPtMn以及FeMn。
在图3C中，硬磁性材料用于磁化钉扎层35，以便能够省略反铁磁膜33。用于磁化钉扎层35的硬磁性材料例如包括从以下组中选定的合金：CoPt、FeCo和SmCo。还可以堆叠由上述材料形成的硬磁性层和磁化钉扎层35，以便能够通过离散来自硬磁性层的磁通来固定该磁化钉扎层35的磁化。
非磁性中间层3主要由从以下组中选定的导电非磁性材料形成：Be、Al、Mg、Ca、Cu、Au、Ag、Rh、Ru和Ir。不过，优选是对于由例如磁畴壁形成的磁阻效应，非磁性中间层可以采用导电磁性材料。还有，当利用隧道磁阻效应(TMR)时，非磁性中间层由绝缘材料例如Al2O3和SiO2形成。本文中所用的术语“中间层”覆盖了非磁性导电中间层、磁性导电中间层和非磁性绝缘中间层。
当非磁性导电材料用于非磁性中间层3时，可以获得足够大的自旋扩散长度(大约50nm或更大)。因此，自旋电子从磁化自由层1传递给磁化钉扎层5，同时保持自旋信息，因此可以获得更高的MR率。
为了获得足够的自旋扩散长度，非磁性中间层3可以使用碳基材料，例如纳米碳管。不过，应当知道，在纳米碳管的非磁性中间层3和磁化自由层1或磁化钉扎层5之间的连接应当为金属/半导体连接。更具体地说，复合层或氧化层将形成于金属/半导体连接上，因此，将由该复合层和氧化层来形成阻碍自旋电子传送的屏障。因此，优选是在金属层和半导体层之间形成贵金属层，例如包括Pt或Au。顺便说明，在非磁性绝缘材料用于中间层以便实现自旋隧道传导的TMR中，连接将没有任何问题。
当非磁性导电材料用于非磁性中间层3时，优选是采用产生镜反射作用的镜面膜作为非磁性中间层3的底层或保护层。也可以采用通过重复堆叠镜面膜和非磁性中间层而制成的堆叠结构。镜面膜也可以使用氧化物、氮化物、氟化物或硼化物的磁性材料或非磁性材料。这时，可以抑制在非磁性中间层和底层或保护层之间的交界面处的非弹性耗散分量，从而可以增加在该非磁性中间层中的导电电子的自旋扩散长度，从而提高MR率。
当在采用磁性导电材料作为中间层的情况下将中间层的厚度设置为大约1nm或更小，且中间层的宽度设置为大约10nm时，导电电子的电流通路将变得非常短，因此，电子进行量子机械引导。结果，因为冲击作用，可以产生更大的MR效果。用于中间层的磁性导电材料例如包括：Ni、Co、Fe以及包含这些金属的合金。为了缩短电子的传导通路，可以使用包含细磁性颗粒的粒状膜，该细磁性颗粒包括Ni、Fe或Co。
柱电极21可以形成于磁化自由层1和底部磁屏蔽17之间。这时，底部磁屏蔽17用作电极。另一方面，绝缘非磁性层形成于磁化自由层1和上部磁屏蔽19之间。非磁性材料层可以与绝缘层15一体形成，或者分别形成。
电极可以形成于磁化自由层1附近。这时，并不需要使用磁屏蔽17和19作为电极。
下面将参考图4A、4B、5A、5B、6A、6B、7A、7B、8A、8B、9A、9B、10A、10B、11A和11B来介绍图1A、1B和1C中所示的GMR磁头的制造方法。顺便说明，在附图标号后面的字母“A”(例如图4A)表明该图是表示在制造处理过程中磁头上表面的平面图，而字母“B”表明该图是表示沿平面图中的线B-B(例如4B-4B)的剖视图。
在第一步骤中，厚度为大约200nm的Ni80Fe20层例如通过电镀或溅射而形成于例如Al2O3.TiC基质(未示出)上。然后，Al2O3层通过IBS(离子束溅射)而在底部磁屏蔽17上形成大约10nm厚，从而形成第一绝缘层13。
然后，通过溅射而在绝缘层13上连续形成底层、堆叠偏压层、磁化自由层和保护层，从而形成磁化自由层的堆叠膜43。底层包括厚度为大约5nm的Ta膜以及厚度为大约2nm的Ru膜。堆叠偏压层包括厚度为大约10nm的IrMn膜、厚度为大约5nm的CoFe膜、厚度为大约1nm的Cu膜、厚度为大约2nm的Ru膜以及厚度为大约1nm的Cu膜。磁化自由层由厚度为大约5nm的NiFe膜形成。保护层包括厚度为大约5nm的Ta膜以及厚度为大约2nm的Au膜。然后，用于磁化自由层的堆叠膜43通过利用T形的两层阻挡层41作为屏蔽(见图4A和4B)进行离子束蚀刻而形成图形。
在下一步骤中，通过溅射在整个表面上连续形成底层、反铁磁层、磁化钉扎层和保护层，从而形成磁化钉扎层的堆叠膜45。底层包括厚度为大约5nm的Ta膜和厚度为大约2nm的Ru膜。反铁磁层由厚度为大约15nm的PtMn膜形成。磁化钉扎层包括厚度为大约3nm的CoFe膜、厚度为大约1nm的Ru膜以及厚度为大约3nm的CoFe膜。保护层由厚度为大约5nm的Ta膜形成。然后，将堆叠膜的、用于沉积在阻挡层41上的磁化钉扎层的那一部分去除，以便除去在绝缘层13上的、用于磁化钉扎层的堆叠膜45在靠近用于磁化钉扎层的堆叠膜43处的部分(见图5A和5B)。
在下一步骤中，用于磁化自由层的堆叠膜43和用于磁化钉扎层的堆叠膜45通过利用T形的两层阻挡层47作为屏蔽(见图6A和6B)进行离子束蚀刻而形成图形。
在下一步骤中，用于非磁性中间层3和第一电极7的、厚度为大约30nm的Cu膜形成于整个表面上。然后，除去在阻挡层47上的Cu膜，以便形成用于非磁性中间层的Cu膜49和用于第一电极的Cu膜51(见图7A和7B)。
在下一步骤中，通过使用T.形的阻挡层53作为屏蔽，用于磁化自由层的堆叠膜43、用于非磁性中间层的Cu膜49、用于磁化自由层的堆叠膜45以及用于第一电极的Cu膜51可以通过离子束蚀刻而部分除去，从而获得图形，以便确定磁道宽度(沿图8A的垂直方向)。这样，将形成磁化自由层1、非磁性中间层3、磁化钉扎层5和第一电极7(见图8A和8B)。
在下一步骤中，在整个表面上形成厚度为大约30nm的Al2O3膜，随后除去在阻挡层53上的Al2O3膜部分，以便形成绝缘层9和11(见图9A和9B)。
在下一步骤中，在整个表面上形成厚度为大约30nm的SiO2膜，随后对SiO2膜表面进行CMP(化学机械抛光)，直到SiO2膜的厚度减小至大约20nm。然后，通过光刻术形成阻挡层55。该SiO2膜通过利用阻挡层55作为屏蔽进行RIE(反应离子蚀刻)而进行部分蚀刻，以便形成柱电极21的接触孔57。该接触孔沿磁道宽度方向(图10A中的垂直方向)的宽度为大约0.1μm。应当知道，环绕接触孔的SiO2膜对应于图1中的第二绝缘膜15(见图10A和10B)。
在下一步骤中，除去阻挡层55，随后形成厚度为大约300nm的NiFe膜，以便充满该接触孔57，并覆盖绝缘膜15，从而形成柱电极21和上部屏蔽19(见图11A和11B)。
然后形成配线，以便使第一电极7和上部屏蔽19与检测电路等连接。而且，在磁化自由层1侧的表面进行抛光，以便形成空气支承表面(ABS)，随后形成用于覆盖该ABS的保护层，从而完成第一实施例的GMR磁头的制造。
根据第一实施例的GMR磁头可以通过上述制造方法在晶片级上形成。
第二实施例
下面介绍本发明第二实施例的GMR磁头。图12A是GMR磁头沿平行于磁道宽度方向的方向的剖视图；图12B是GMR磁头沿平行于磁道方向的方向的剖视图；而图12C是GMR磁头在从ABS方向看时的平面图。图12A是沿图12B中的线12A-12A的剖视图。在图中底侧的表面表示ABS。图12B是沿图12A中的线12B-12B的剖视图。在图中左侧的表面表示ABS。除了在图12A至12C中所示的部件之外，本发明的GMR磁头还包括环绕上述部件的绝缘非磁性膜以及用于使SV元件与检测电路等连接的配线。
如图12B和12C所示，形成堆叠的底侧23、磁化自由层25和保护层27。如图12A和12C所示，还形成一对硬偏压层59和61，该对硬偏压层59和61设置成施加纵向偏压。该纵向偏压是沿图12C中从左至右方向的磁偏压，该方向平行于ABS，也平行于磁化自由层25的表面。为了有效地向磁化自由层25施加磁偏压，优选是使得在磁化自由层25两侧的硬偏压层59和61都形成为沿磁道宽度方向延伸。
硬偏压层59和61可以使用基于Co的硬磁性材料，例如CoPt、CoCr和CoCrPt，或者其它硬磁性材料。硬偏压层59和61可以形成于厚度为大约1nm至大约20nm的底层例如Cr层上。
优选是，硬偏压层59、61通过绝缘膜9和11而与磁化自由层电绝缘，如图12A和12C所示。绝缘层例如可以使用Al2O3或SiO2。各绝缘层9和11可以插入硬偏压层59、61和磁化自由层之间，以便使厚度在大约2nm和大约10nm之间。为了保证绝缘特性，各绝缘层9和11必须有至少大约2nm的厚度。各绝缘层9和11的厚度不应当超过大约10nm，以便保证偏压磁场。
也可以省略硬偏压层59、61，并将反铁磁层堆叠在磁化自由层25上，以便向磁化自由层25施加纵向偏压。更具体地说，可以采用以下结构(1)和(2)中的任意一种：(1)反铁磁层形成于磁化自由层25上，且非磁性导电膜插入它们之间。该特殊结构允许反铁磁膜和铁磁膜之间进行交换耦合，同时非磁性膜插入它们之间(长距离交换耦合方法)。(2)反铁磁膜、偏压铁磁膜、非磁性膜和磁化自由层25以所述顺序形成。该特殊结构通过由反铁磁膜钉扎的、量子偏压铁磁膜的离散磁场来控制磁化自由层的磁化方向以及磁各向异性(静磁耦合方法)。在上述堆叠结构中，尽管各个膜可以连续堆叠，但是并不限制堆叠顺序。
对于反铁磁膜，可以使用从以下组中选定的合金：IrMn、PtMn、CrMn、PtCrMn、PhMn和FeMn。
当反铁磁膜用于磁化钉扎层和磁化自由层时，可以使得通过两个反铁磁膜钉扎的磁化方向彼此垂直。为了实现该特殊情况，可以使用不同类型的反铁磁材料，或者使该反铁磁材料有阻挡温度彼此不同的控制组分。即使当反铁磁材料有彼此不同的阻挡温度，也可以通过使得用于磁化自由层的反铁磁膜比用于磁化钉扎层的反铁磁膜厚而控制阻挡温度。
在图12B中，磁化钉扎层63形成为比磁化自由层1厚。这时，反铁磁膜形成为在磁化钉扎层63中比磁化钉扎层更厚。当反铁磁膜的厚度充分增加时，可以进一步提高在反铁磁膜和铁磁膜之间的交换耦合消失时的阻挡温度，或者可以获得更大的交换耦合。这可以解释为由于结晶度即(111)晶粒方向和晶粒尺寸增加可以通过增加反铁磁膜的厚度来进行控制，以便使反铁磁膜的磁化稳定。
在本实施例中，磁化钉扎层63首先在温度T1和磁场H1下在方向垂直于ABS的磁场中进行退火，随后使磁化自由层1在温度T2(＜T1)和磁场H2(＜H1)下在方向垂直于ABS的磁场中进行退火。因此，磁化钉扎层5的磁化方向在无磁场的情况下(在初始状态下)垂直于磁化自由层1的磁化方向。
第三实施例
图13是表示本发明第三实施例的GMR磁头的结构的剖视图。在本实施例中，非磁性中间层3形成于绝缘层13上，磁化自由层1和磁化钉扎层5形成于非磁性中间层3上。磁化自由层1和磁化钉扎层5形成为彼此分离，并通过绝缘膜69而彼此电绝缘。用于静磁GMR元件的电阻的检测电流流过第一电极7、磁化钉扎层5、非磁性中间层3、磁化自由层1、柱电极21和上部磁屏蔽19。
在本实施例中，磁化自由层1和磁化钉扎层5与非磁性中间层3的相同表面连接。只要可以获得令人满意的电连接，则磁化自由层1和磁化钉扎层5与非磁性中间层3局部连接就是足够的。
在上述结构中，非磁性中间层3作为用于磁化自由层1和磁化钉扎层5的底层。当非磁性中间层3作为底层时，可以提高磁化自由层1和磁化钉扎层5的(111)晶向。通常，该晶向可以通过利用X射线衍射测量观察在(111)衍射峰值的摇摆曲线的最大值的一半处的全宽度(FWHW)来估计。
在本实施例中，检测电流沿垂直于膜平面的方向(图13中的垂直方向)从柱电极21流过在ABS附近的磁化自由层1区域。因此，具有自旋信息的电子通过非磁性中间层3高效供给磁化钉扎层5中。
还有，在非磁性中间层3和磁化自由层1之间以及在非磁性中间层3和磁化钉扎层5之间的交界面显著不同，因此，电子的弹性耗散可以在该交界面处被预计，随后可以预期产生更大的MR率。
第四实施例
图14是表示根据本发明第四实施例的GMR磁头的结构的剖视图。在本实施例中，要进行复制的磁记录介质的记录磁道沿图14中的垂直方向延伸，GMR磁头相对于磁记录介质沿磁道方向运动。
本实施例的GMR磁头有双重结构，其中，两个第一实施例的GMR元件夹在磁屏蔽17和19之间。更具体地说，GMR元件(A)和GMR元件(B)形成为彼此间开，同时第三绝缘膜73插入它们之间。
GMR元件(A)包括磁化自由层1A、非磁性中间层3A、磁化钉扎层5A和电极7A，柱电极21A使磁化自由层1A与上部磁屏蔽19电连接。GMR元件(B)包括磁化自由层1B、非磁性中间层3B、磁化钉扎层5B和电极7B，柱电极21B使磁化自由层1B与底部磁屏蔽17电连接。
GMR元件(A)和(B)形成为相对于第三绝缘膜73对称。GMR元件(A)的有效磁隙通过在ABS处并在上部磁屏蔽19和磁化自由层1A之间的柱电极21A以及在磁化自由层1A和磁化自由层1B之间的绝缘膜73来提供。GMR元件(B)的有效磁隙通过在ABS处并在磁化自由层1B和磁化自由层1A之间的绝缘膜73以及在磁化自由层1B和底部磁屏蔽17之间的柱电极21B来提供。因此，与根据另一实施例形成两个GMR元件的情况相比，用于两个GMR元件的有效磁隙可以进一步变窄。
上述GMR磁头可以安装在磁记录-复制装置中，例如以磁头万向组件形式的硬盘驱动器。将GMR磁头安装在磁记录-复制装置中的技术为本领域已知。
图15是示意表示磁记录-复制装置150的结构的透视图。该磁记录-复制装置150为使用旋转驱动器的类型。如图所示，垂直磁记录磁盘151固定在心轴152上，并根据由驱动控制器(未示出)供给的控制信号而通过马达沿箭头A表示的方向旋转。磁记录-复制装置150可以具有多个磁盘151。
用于将数据写入磁盘151中以及从该磁盘151中读出数据的磁头滑动器153布置在悬臂154的顶端上。包括本发明实施例的磁阻元件的磁头形成于磁头滑动器153的顶端部分上。当磁盘151旋转时，磁头滑动器153的空气支承表面(ABS)浮动保持在离该磁盘151表面规定间隙高度处。顺便说明，磁记录-复制装置可以为使得磁头滑动器153与磁盘151接触的接触类型。
悬臂154与促动器臂155的一端相连，该促动器臂155包括在另一端的、用于保持驱动线圈(未示出)的线轴部分。作为一种线性马达的音圈电机156布置在促动器臂155的另一端上。该音圈电机156包括：驱动线圈(未示出)，该驱动线圈缠绕在促动器臂155的线轴部分上；以及永磁体和相对轭铁，该永磁体和相对轭铁布置成彼此相对，且驱动线圈夹在它们之间，其中，这些部件构成磁路。促动器臂155通过布置在枢轴157的上部和底部的滚珠轴承(未示出)来保持，并可以通过音圈电机156而旋转。
图16以放大形式表示磁头组件160的透视图，它是从磁盘方向看。更具体地说，磁头组件160包括促动器臂155，该促动器臂155包括用于保持驱动线圈的线轴部分，悬臂154与该促动器臂155的一端连接。磁头滑动器153安装在悬臂154的顶端上，该磁头滑动器153有磁头，该磁头包括本发明实施例的磁阻元件。悬臂154包括用于写和读信号的引线164。该引线164与形成于磁头滑动器153上的磁头的各个磁极电连接。图中所示的参考标号165表示磁头组件的电极衬垫。根据本发明，即使在记录密度明显高于现有技术的情况下，通过使用包括上述磁阻元件的磁头，可以毫无故障地读出记录在磁记录磁盘151中的数据。
本发明并不局限于上述实施例，在由附加权利要求限定的本发明范围内，可以进行各种变化。
还有，在实际实施发明时，可以在不脱离本发明范围的情况下对本发明进行各种变化。
而且，通过对上述实施例中所述的多个构件进行合适组合，可以实现各种发明。例如，可以省略上述实施例中所述的所有构件中的某些构件。还有，可以使不同实施例中的构件进行合适组合。
Claims (20)
1.一种磁阻磁头，包括：
第一磁屏蔽；
第一绝缘膜，该第一绝缘膜形成于第一磁屏蔽上；
磁阻膜，该磁阻膜形成于第一绝缘膜上，并包括邻近空气支承表面的磁化自由层、当从空气支承表面方向看时沿磁头高度方向离开磁化自由层的磁化钉扎层、以及连接该磁化自由层和磁化钉扎层的非磁性中间层，磁化自由层的磁化方向可以在外部磁场中旋转，而磁化钉扎层的磁化方向在外部磁场的作用下基本上被固定；
第二绝缘膜，该第二绝缘膜形成于第一磁阻膜上；以及
第二磁屏蔽，该第二磁屏蔽形成于第二绝缘膜上。
2.根据权利要求1所述的磁阻磁头，还包括：电极，该电极设置成使第一和第二磁屏蔽中的一个与磁化自由层电连接。
3.根据权利要求2所述的磁阻磁头，其中：电极由非磁性材料形成。
4.根据权利要求2所述的磁阻磁头，其中：电极在磁道宽度方向上的宽度小于磁化自由层在磁道宽度方向上的宽度。
5.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其中：当从空气支承表面方向看时，中间层在高度方向上夹在磁化自由层和磁化钉扎层之间。
6.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其中：当从空气支承表面方向看时，绝缘层在高度方向上夹在磁化自由层和磁化钉扎层之间；磁化自由层和磁化钉扎层形成于该中间层的同一侧上。
7.根据权利要求1所述的磁阻磁头，还包括：底层和保护层，磁化自由层是形成于该底层和保护层之间的铁磁层。
8.根据权利要求1所述的磁阻磁头，还包括：底层、形成于该底层上的偏压层以及保护层，磁化自由层是形成于该偏压层和保护层之间的铁磁层，保护层形成于该铁磁层上。
9.根据权利要求1所述的磁阻磁头，还包括：底层、偏压层和形成于该偏压层上的保护层，磁化自由层是形成于该底层和偏压层之间的铁磁层。
10.根据权利要求1所述的磁阻磁头，还包括：底层、反铁磁层以及形成于该反铁磁层上的保护层，磁化钉扎层是形成于该底层和反铁磁层之间的铁磁层。
11.根据权利要求1所述的磁阻磁头，还包括：底层、形成于该底层上的反铁磁层以及保护层，磁化钉扎层是形成于该反铁磁层和保护层之间的铁磁层。
12.根据权利要求1所述的磁阻磁头，还包括：底层和保护层，磁化钉扎层是形成于该底层和保护层之间的硬磁层。
13.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其中：硬偏压层形成于磁化自由层的沿磁道宽度方向的两侧上。
14.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其中：磁化钉扎层的厚度比磁化自由层的厚度大。
15.根据权利要求1所述的磁阻磁头，其中：非磁性中间层的厚度不大于2.0纳米。
16.一种磁阻磁头，包括沿磁道方向布置的第一磁屏蔽、第一绝缘膜、第一磁阻膜、第三绝缘膜、第二磁阻膜、第二绝缘膜和第二磁屏蔽，
各第一和第二磁阻膜包括：磁化自由层，该磁化自由层形成于空气支承表面附近的区域，它的磁化方向可通过外部磁场而旋转；磁化钉扎层，当从空气支承表面方向看时，该磁化钉扎层形成为沿高度方向离开磁化自由层，它的磁化方向在外部磁场的作用下基本上被固定；以及非磁性中间层，该非磁性中间层与磁化自由层和磁化钉扎层连接。
17.根据权利要求16所述的磁阻磁头，还包括：
电极，该电极设置成使第一磁屏蔽与第一磁阻膜中的磁化自由层电连接；以及
另一电极，该另一电极设置成使第二磁屏蔽与第二磁阻膜中的磁化自由层电连接。
18.一种磁记录-复制装置，包括根据权利要求1所述的磁阻磁头。
19.一种制造磁阻磁头的方法，包括：
在第一绝缘膜上形成铁磁膜；
通过蚀刻处理由该铁磁膜形成第一和第二铁磁部分，该第一铁磁部分邻近预定的空气支承表面，该第二铁磁部分在高度方向上自预定的空气支承表面凹入；
在第一和第二铁磁部分之间形成非磁性部分；以及
在第一和第二铁磁部分以及非磁性部分的上方形成第二绝缘膜。
20.一种制造磁阻磁头的方法，包括：
在非磁性层上形成铁磁膜；
通过蚀刻处理由该铁磁膜形成第一和第二铁磁部分，该第一铁磁部分邻近预定的空气支承表面，该第二铁磁部分沿在高度方向上自预定的空气支承表面凹入；
在第一和第二铁磁部分之间形成绝缘材料；以及
在第一和第二铁磁部分以及绝缘材料的上方形成第二绝缘膜。
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