CN101473372A - 磁头 - Google Patents

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Abstract

提供一种磁头，该磁头包括性能提高的层压铁氧体结构的自旋阀磁致电阻元件。磁头具有：衬底，具有空气轴承面；自由层，在衬底上方与空气轴承面垂直地配置，在该垂直方向上划定元件高度，由铁磁层形成，根据外部磁场能够使磁化方向旋转；参考层，与自由层平行地配置，由铁磁层形成；第一中间层，在自由层和参考层之间配置，使两层磁性分离；固定层，与参考层平行地配置在与自由层相反一侧，由铁磁层形成，在元件高度方向上的长度比参考层更长；第二中间层，在参考层和固定层之间配置，与参考层、固定层一起构成层压铁氧体结构；反铁磁层，层叠在固定层上，用于固定固定层的磁化方向；而且由自由层、参考层、固定层构成自旋阀磁致电阻效应元件。

Description

磁头
技术领域
本发明涉及一种磁头，尤其是涉及一种包括自旋阀磁致电阻效应元件作为再现(读取)头的磁头。
背景技术
磁头的写入头通常由感应磁头构成。也可以将感应磁头作为再现头使用。在该情况下，所检测的物理量为磁通密度(magnetic flux density)随时间变化，其取决于磁记录介质和磁头的相对速度。若相对速度变化，则其灵敏度(sensitivity)变化。
磁致电阻(magneto-resistance，MR)是一种电阻根据外部磁场变化的现象。各向异性磁致电阻(anisotropic magneto-resistance，AMR)是一种电阻根据外部磁场的方向和强度变化的现象。若作为再现头采用各向异性磁致电阻(AMR)效应元件，则再现输出变得不会依赖于磁记录介质和磁头的相对速度。能够提供适合于实现磁记录装置的小型化及记录高密度化的磁头。
在JP特许第2786601号所记载的现有技术中，说明了利用巨磁致电阻(giant magneto-resistance，GMR)效应的再现头。其中指出：自旋阀磁致电阻传感器需将固定层的磁化定向为与盘片(disk)表面垂直的方向，且将自由层的磁化定向为与盘片表面平行的方向，但自由层的磁化方向受到固定层所发生的磁场的影响，其中，上述自旋阀磁致电阻传感器是指，在GMR元件被非磁性金属层分离的2层的铁磁层中，将其中一层作为磁化被固定的固定层(Pinned Layer)，另一层作为磁化方向能够自由旋转的自由层(free layer)的传感器。
JP特开2004-335071号提出了如下内容：在将自旋阀磁致电阻传感器***到一对屏蔽层(shield layer)之间并使电流流在屏蔽层之间的CPP(currentperpendicular to the plane：电流正交平面)的结构中，使自旋阀磁致电阻元件经由大面积的非磁性金属膜来电连接至屏蔽层。
JP特开2004-118978号提出了如下内容：在CPP型自旋阀磁致电阻元件中，使固定层的介质对置方向高度高于自由层的介质对置方向高度，以此抑制固定层的磁化方向受到干扰而倾斜。
JP特开2005-302846号提出了如下内容：层叠了反铁磁层、固定层、非磁性层、自由层的自旋阀中，使反铁磁层和固定层的高度方向(ハイト長方向)上的尺寸大于自由层的高度方向上的尺寸，以此使从固定层施加至自由层的漏磁场(leakage magnetic field)变小。
JP特许第2786601号提出了如下内容：由一对Ni-Fe铁磁膜和用于固定上述一对铁磁膜之一的磁化方向的反铁磁膜构成自旋阀磁致电阻传感器的固定层，其中，上述一对Ni-Fe铁磁膜是通过由厚度为0.3nm～0.6nm的Ru层形成的反铁磁性的结合膜结合而成的。记载有：使反向平行磁化的2个铁磁性体膜具有几乎相同的厚度，以此几乎消除2个磁矩(magnetic moment)，从而使给自由层带来不良影响的偶极子(dipole)磁场基本上不存在。
将该结构称为层压铁氧体结构(laminated ferrite structure)，将磁化方向被反铁磁膜固定的层称为固定层，将与固定层形成反铁磁性的结合的层称为参考层(reference layer)。
JP特开2006-13430号提出了如下内容：在层压铁氧体结构的磁致电阻传感器中，为了使参考层和固定层对于自由层的影响互相抵消，而使固定层的膜厚和饱和磁通强度之积大于参考层的膜厚和饱和磁通强度之积。
JP专利文献1：JP特许第2786601号公报
JP专利文献2：JP特开2004-335071号公报
JP专利文献3：JP特开2004-118978号公报
JP专利文献4：JP特开2005-302846号公报
JP专利文献5：JP特开2006-13430号公报
发明内容
本发明的目的在于提供如下结构，该结构是指，在层压铁氧体结构的自旋阀磁致电阻效应元件中，能够降低对固定层和参考层的磁化给对自由层的磁化所带来的不良影响的结构。
本发明的其他目的在于，提供一种磁头，该磁头包括性能被提高的层压铁氧体结构的自旋阀磁致电阻效应元件。
根据本发明的第一观点，提供一种磁头，其特征在于，
具有：
衬底，其具有空气轴承面；
自由层，其在上述衬底上方与空气轴承面垂直地配置，在该垂直方向上划定元件高度，而且由铁磁层形成，根据外部磁场能够使磁化方向旋转；
参考层，其与上述自由层平行地配置，而且由铁磁层形成；
第一中间层，其在上述自由层和上述参考层之间配置，而且使两层磁性分离；
固定层，其与上述参考层平行地配置在与上述自由层相反一侧，由铁磁层形成，在上述元件高度方向上的长度比上述参考层更长；
第二中间层，其在上述参考层和上述固定层之间配置，而且与上述参考层、上述固定层一起构成层压铁氧体结构；
反铁磁层，其层叠在上述固定层上，用于固定上述固定层的磁化方向；而且
由上述自由层、参考层、固定层构成自旋阀磁致电阻效应元件。
在元件高度方向上，固定层比参考层更长，所以能够进一步相互抵消两层给自由层带来的影响。
附图说明
图1A～1C分别为：示意性地示出了实施例的层压铁氧体结构的立体图；示出了被一对屏蔽层夹着的结构的侧视图；示出了当使固定层的元件高度方向上的长度比参考层的元件高度方向上的长度长出(突出)长度a(nm)时，对固定层及参考层施加在自由层端部的合成磁场进行计算机模拟的结果的曲线图。
图2是示意性地示出了磁记录装置的结构的俯视图。
图3A、3B分别为：示意性地示出了写入/读取头的结构的剖视图；示意性地示出了层压铁氧体结构的立体图。
图4-1～4-2中的4A～4F(4Ax～4Fx、4Ay～4Fy)分别是示出了实施例的层压铁氧体结构的制造方法的主要工序的剖视图。
图5是示意性地示出了现有技术的层压铁氧体结构的立体图。
图6A～6C分别为：示意性地示出了第一变形例的层压铁氧体结构的立体图；示出了被一对屏蔽层夹着的结构的侧视图；示出了当使固定层的元件高度方向上的长度在远离参考层的位置比参考层的元件高度方向上的长度长出(突出)长度a(nm)时，对固定层及参考层施加于自由层端部的合成磁场进行计算机模拟(computer simulation)的结果的曲线图。
图7是示意性地示出了第一变形例的层压铁氧体结构的立体图。
图8A、8B(8Ax、8Bx、8Ay、8By)分别是示出了第一变形例的层压铁氧体结构的制造方法的主要工序的剖视图。
图9A、9B分别是示出了第二变形例的层压铁氧体结构的立体图及剖视图。
具体实施方式
首先，对现有技术的层压铁氧体结构的巨磁致电阻(GMR)效应型再现头的结构进行研究。
图5是示意性地示出了例如具有JP特许第2786601号所公开的现有技术的层压铁氧体结构的磁致电阻传感器的立体图。彼此平行地层叠配置有沿着元件高度(MRh)方向具有固定磁化方向的固定层3、具有与固定层3反向平行的磁化方向的参考层5、在不存在外部磁场的状态下将磁化方向设定为磁芯(core)宽度(CW)方向且借助外部磁场能够使磁化方向自由旋转的自由层7，而且在元件高度(MRh)方向及磁芯宽度(CW)方向上均都刻画成相同的形状。在这样的结构中，参考层5比固定层3更靠近自由层7，所以不可避免来自参考层5的漏磁场比来自固定层3的漏磁场更强地作用于自由层7。因此，自由层7的磁化方向受到来自参考层5的漏磁场和来自固定层的漏磁场的合成磁场的影响而从磁芯宽度方向倾斜至元件高度方向。若自由层7的磁化方向从磁芯宽度方向倾斜，则会导致读取输出不对称。
本发明人对降低参考层和固定层给自由层所带来的影响的情形进行了研究。若能够使参考层所带来的影响减弱且使固定层所带来的影响增强，则可能会能够降低总的影响。使参考层5和固定层3在元件高度方向上的两端形成磁极。若磁极为相同级别(Level)，则靠近自由层的参考层所带来的影响会更大。通过改变元件高度方向上的长度来改变磁极的高度，由此研究了到底发生什么样的变化。
图1A是示意性地示出了第一实施例的层压铁氧体结构的立体图。
彼此平行地层叠配置有固定层3、参考层5以及自由层7，该固定层3沿着元件高度(MRh)方向具有固定磁化方向，该参考层5具有与固定层3反向平行的磁化方向，自由层7使其磁化方向能够自由旋转。与图5的结构不同地，在元件高度(MRh)方向上，自由层7和参考层5被刻画成比固定层3更短。即，固定层的上部磁极比参考层更向上部突出。在沿着磁道宽度方向的磁芯宽度上，固定层3、参考层5及自由层7共同地被刻画，所以在磁芯宽度方向上以相同宽度排列。
图1B是示出了采用了从膜厚方向两侧夹住层压铁氧体结构的屏蔽层的层叠结构的剖视图。如图所示，MRh方向、膜厚方向、磁芯宽度方向形成直角坐标系。在屏蔽层1的上方，层叠有固定层3、参考层5、自由层7，并在更上一方形成有屏蔽层9。层叠结构的图中下表面被研磨成同一平面，构成空气轴承面ABS。在元件高度(MRh)方向上，将固定层3的高度设定为比参考层5和自由层7的高度高出a(nm)。
图1C是示出了如下结果的曲线图，该结果是指，当将固定层的厚度设为1.6nm、将参考层的厚度设为1.8nm、将固定层和参考层之间的间隔设为0.9nm、将参考层和自由层之间的间隔设为1.0nm且改变固定层的突出量a时，对固定层和参考层施加至自由层上端的合成磁场进行计算机模拟所得到的结果。如图1B所示，固定层3具有向上的磁化方向，参考层5具有向下的磁化方向。计算出从固定层3和参考层5施加至自由层7的元件高度(MRh)方向上的磁场。将纸面向上的方向设定为正方向。若将突出量a从0开始逐渐增加，则合成磁场从5000e起逐渐减少，并在a约为3～4nm处表现出最小值约1400e，然后随着a的增加而增大，在a约为16nm处变为与a＝0时相同的约5000e，而且若a进一步增大，则合成磁场也进一步增大。
之所以发生该现象，可能是因为：若使固定层突出至参考层的上方，则固定层能够直接与自由层相向，从而能够增强其影响力，但若突出量过大，则固定层的端部所形成的磁极会远离自由层上端，从而其影响力会减弱。固定层的突出量优选为1nm～15nm。下面，对基于该结果的实施例进行说明。首先，概略地说明硬盘磁记录装置的结构。
图2示意性地示出了硬盘磁记录装置的结构。硬盘磁记录装置220在硬盘224上具有臂部230，该臂部230具有写入/读取头110。硬盘224旋转，而且写入/读取头110对磁道连续进行磁记录或者从磁道连续地读取磁记录。通过使臂部230向盘片半径方向移动来选择磁道。
图3A是示意性地示出了写入/读取头110的结构例的剖视图。在非磁性衬底111上形成有下部磁屏蔽层124，并在其上形成有绝缘层125，在该绝缘层125中埋入有层压铁氧体结构的自旋阀磁读取元件126。在绝缘层125上形成有兼用作上部磁屏蔽层的辅助磁极112，并在其上形成有绝缘层113。在绝缘层113上形成有局部的线圈114，上述局部的线圈114是通过对导电层进行成膜并刻画图案来形成的，而且埋入在绝缘层115中。在绝缘层115上形成有主磁极116，上述主磁极116是通过对高饱和磁通密度的磁性膜进行成膜并刻画图案来形成的。还形成有绝缘层117以将主磁极116埋入在其中。形成有剩余部分的线圈118，其与线圈114连接。绝缘保护层119将线圈118埋入在其中，并形成平坦的表面。衬底和其上的叠层的图中下表面被研磨，从而形成空气轴承面。叠层与空气轴承面垂直地配置。
在这样的写入/读取头110的下方配置有硬盘120。在硬盘120的衬底121上形成有软磁性的衬里层122，在其上形成有记录层123。当写入时，主磁极116所发出的磁场对记录层123进行记录。辅助磁极112形成辅助磁路，从而构成磁闭路。当读取时，受到来自记录层123的磁场的影响，层压铁氧体结构的自旋阀磁读取元件126的磁致电阻发生变化，以此读取所记录的信息。下面，举例说明将屏蔽层112、124作为电极且与层压铁氧体结构的膜垂直地通电流的CPP(current perpendicular to the plane)结构，但这不能视为限定。
图3B示意性地示出了被屏蔽层124、112夹着的层压铁氧体结构的自旋阀读取头126的结构。层叠在反铁磁层2上的作为铁磁层的固定层3在高度方向上具有固定的固定磁化方向。反铁磁性地与固定层3相结合的参考层5，具有与固定层反向平行的固定磁化方向。配置在参考层5的上方的自由层7根据外部磁场能够自由地旋转磁化方向。图示的正面为空气轴承面(ABS)，进深方向为与空气轴承面垂直的元件高度(MRh)方向，横向为与元件高度方向垂直的磁芯宽度(CW)方向。将固定层3和反铁磁层2在元件高度方向上的长度设定为比自由层7和参考层5在元件高度方向上的长度更长。即，靠近自由层7的参考层5比远离自由层7的固定层3短，以此减弱对于自由层7的影响。通过适当地选择突出量，能够如图1C所示那样减弱合成漏磁场。在自由层7的左右两侧配置磁区控制膜8，以此将自由层7的磁化方向控制在磁芯宽度方向上。
图4A～4F是示出了层压铁氧体结构的制造方法的主要工序的剖视图。标上下标x的图4Ax～4Fx表示沿着磁芯宽度CW方向的剖视图，标上下标y的图4Ay～4Fy表示沿着元件高度MRh方向的剖视图。
如图4Ax、4Ay所示，在非磁性衬底上，由NiFe等软磁性材料形成屏蔽层1。屏蔽层1能够兼用作电极。在屏蔽层1上形成Ta等基底层14，并在其上形成层压铁氧体型自旋阀元件。例如，依次层叠厚度约为7nm的反铁磁膜2、厚度约为1.6nm的固定层3、厚度约为0.9nm的中间层4、厚度约为1.8nm的参考层5、厚度约为1.0nm的非磁性中间层6、厚度约为4nm的自由层7。中间层4是使固定层3和参考层5之间发生反铁磁性结合(反向平行磁化)的层。中间层6是将自由层7和参考层5磁性分离的层。存在如下两种情况：由Al2O3或MgO等的绝缘层形成中间层6，并使隧道电流在厚度方向上流通的情况；由Cu等的导电层形成中间层6，并使导电电流在厚度方向上流通的情况。在采用了绝缘膜的情况下，层压铁氧体结构为隧道结(tunnel junction)型GMR元件，在采用了导电膜的情况下，层压铁氧体结构为CPP-GMR元件。由IrMn、PdPtMn等形成反铁磁膜2。由NiFe、CoFeB等的单层或叠层的铁磁膜形成固定层3、参考层5、自由层7。
如图4Bx、4By所示，在自由层7上形成光致抗蚀剂图案PR1，并通过离子铣削(Ion Milling)等在磁芯宽度方向上从自由层7蚀刻到铁磁层2。但也可以蚀刻到基底层14。也可以留下反铁磁层2的一部分不蚀刻。接着，在不除去光致抗蚀剂图案PR1的情况下，形成AI2O3等的非磁性绝缘膜11。
如图4Cx、4Cy所示，在不除去光致抗蚀剂图案PR1的情况下，依次层叠磁区控制膜8、非磁性绝缘膜12。作为磁区控制膜8，采用CoCrPt等的高矫顽力膜、IrMn、PdPtMn等的反铁磁膜和NiFe、CoFeB等的软磁性(铁磁性)膜的叠层等。作为非磁性绝缘膜12采用Al2O3等。然后，将光致抗蚀剂图案PR1除去。
如图4Dx、4Dy所示，形成用于重新在元件高度方向上进行蚀刻的光致抗蚀剂图案PR2，并通过离子铣削等从自由层7蚀刻到反铁磁层2。但可以蚀刻到基底层14，也可以留下反铁磁膜2的一部分不蚀刻。在元件高度方向上对固定层3、反铁磁层2进行刻画。然后，将光致抗蚀剂图案PR2除去。
如图4Ex、4Ey所示，形成用于在元件高度方向上对自由层7、参考层5进行蚀刻的光致抗蚀剂图案PR3，并通过离子铣削等从自由层7蚀刻到参考层5。但也可以蚀刻到中间层4。在不除去光致抗蚀剂图案PR3的情况下，形成非磁性绝缘层15。然后，将光致抗蚀剂图案PR3除去。
如图4Fx、4Fy所示，形成屏蔽层9。屏蔽层9也可以兼用作电极。屏蔽层9采用NiFe等。
在如上所说明的制造方法中，通过电镀、蒸镀、溅射等来形成屏蔽层1、9。通过溅射等来形成反铁磁膜2、固定层3、Ru等的中间层4、参考层5、中间层6、自由层7、磁区控制膜8、绝缘膜11、12、非磁性绝缘膜15。
在第一实施例中，使固定层3比自由层7、参考层5更向元件高度方向突出。并通过控制突出量，获得了如图1C所示的合成漏磁场减弱效应。通过将突出量设定为1nm到15nm的范围内，能够可靠地得到漏磁场减弱效应。
也考察了使固定层3的参考层5一侧的高度与参考层5相同且固定层3的远离参考层5的一侧向元件高度方向突出的情形。
图6A示意性地示出了该第一变形例。层叠配置有固定层3、参考层5以及自由层7，其中，上述固定层3具有沿着元件高度(MRh)方向的固定磁化方向，上述参考层5具有与固定层3反向平行的磁化方向，自由层7具有能够自由旋转的磁化方向。在元件高度(MRh)方向上，固定层3的参考层5一侧被刻画成与自由层7、参考层5相同的高度，但固定层3的远离参考层5的一侧被刻画成比自由层7、参考层5还长。将该固定层3的远离参考层的一侧的突出量设为a(nm)。在沿着磁道宽度方向的磁芯宽度上，固定层3、参考层5、自由层7共同地被刻画。
图6B是示出了采用从膜厚方向两侧夹住层压铁氧体结构的屏蔽层的层叠结构的剖视图。与图1B不同之处在于，固定层3的参考层5一侧被刻画成与参考层5相同的高度。其他方面与图1B相同。
图6C是示出了与图1C同样的计算机模拟结果的曲线图。若将突出量a从0逐渐增加，则合成磁场从5000e起逐渐減少，并在a约为3～4nm处表现出最小值约3200e，然后随着a的增加而增大，在a约为16nm到17nm的范围内变为与a＝0时相同的约5000e，而且若a进一步增大，则合成磁场也进一步增大。由于在固定层的突出部处参考层一侧被削去而形成了与自由层分开的形状，所以相同的突出量所得到的合成磁场减弱效应会变小。与图1C的情况同样，当突出量a采用了1nm～15nm时，能够可靠地得到合成漏磁场减弱的效果。
图7示意性地示出了采用与图3B对应的屏蔽层124、112的层压铁氧体结构的读取头126的结构。与图3B的不同之处在于，固定层3的参考层5一侧被刻画成与参考层5相同的高度。其他方面与图1B相同。
图8A～8B是示出了图7所示的层压铁氧体结构的制造方法的主要工序的剖视图。图8Ax、8Ay对应于图4Ex、4Ey，图8Bx、8By对应于图4Fx、4Fy。在对自由层7、参考层5进行蚀刻时，也对固定层3的一部分进行蚀刻。其他方面与其相同。蚀刻工序的控制精度可能会得以放宽。
在实施例中，由配置在自由层的两侧的高矫顽力膜或反铁磁膜和铁磁膜的叠层形成了磁区控制膜。但也可以采用将磁区控制膜层叠在自由膜上的结构。
图9A、9B示出了将磁区控制膜层叠在自由层上的第二变形例。图9A与图3B对应，图9B是更加详细地示出了图9A的层叠结构的剖视图。与图3B的结构不同，在自由层7上层叠了磁区控制膜8x，以取代配置在自由膜的两侧的磁区控制膜8。
如图9B所示，与图4Ax、4Ay同样，在形成了Ta等基底层14之后，依次层叠反铁磁膜2、固定层3、Ru等的中间层4、参考层5、中间层6、自由层7，进而在自由层7上依次层叠Cu等的中间层16、CoFeB等的铁磁膜17、IrMn等的反铁磁膜18。由铁磁膜17和反铁磁膜18的叠层构成磁区控制膜8x。此外，在对反铁磁膜进行磁化时，沿着元件高度方向对反铁磁膜2进行磁化，沿着磁芯宽度方向对反铁磁膜18进行磁化。由于将2个反铁磁层沿着不同的方向磁化，所以优先使反铁磁膜2和18具有不同的截止温度(blocking temperature)。
以上，根据实施例和变形例说明了本发明，但本发明并不仅限定于这些。例如，对于例示的材料、层叠结构、各层的厚度等，能够进行各种变更。除了固定层相对参考层突出的结构以外，可以采用公知的各种结构。另外，对于本领域的技术人员来说，能够进行各种变更、改良、置换、组合等是显而易见的。

Claims (10)

1.一种磁头，其特征在于，装有磁致电阻效应元件，该磁致电阻效应元件至少具有：
衬底，其具有空气轴承面；
自由层，其在上述衬底上方与空气轴承面垂直地配置，在该垂直方向上划定元件高度，而且由铁磁层形成，根据外部磁场能够使磁化方向旋转；
参考层，其与上述自由层平行地配置，而且由铁磁层形成；
第一中间层，其在上述自由层和上述参考层之间配置，而且使两层磁性分离；
固定层，其与上述参考层平行地配置在与上述自由层相反一侧，由铁磁层形成，在上述元件高度方向上的长度比上述参考层更长，而且磁化方向被固定；
第二中间层，其在上述参考层和上述固定层之间配置，而且与上述参考层、上述固定层一起构成层压铁氧体结构。
2.如权利要求1所述的磁头，其特征在于，上述自由层在上述元件高度方向上的长度与上述参考层在元件高度方向上的长度相同。
3.如权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，上述固定层在上述参考层一侧，沿着元件高度方向具有与上述参考层相同的长度，而且在远离上述参考层的一侧，沿着元件高度方向具有比上述参考层更长的长度。
4.如权利要求1～3中任一项所述的磁头，其特征在于，上述固定层比上述参考层长1nm～15nm。
5.如权利要求1～4中任一项所述的磁头，其特征在于，还具有磁区控制膜，该磁区控制膜在与上述元件高度方向垂直的磁芯宽度方向上，配置在上述自旋阀磁致电阻效应元件的两侧，而且分别由高矫顽力膜或者反铁磁膜及铁磁膜的叠层构成。
6.如权利要求1～4中任一项所述的磁头，其特征在于，还具有磁区控制膜，该磁区控制膜层叠在上述自由层上，而且由高矫顽力膜或者反铁磁膜及铁磁膜的叠层构成。
7.如权利要求1～6中任一项所述的磁头，其特征在于，
还具有一对屏蔽层，上述一对屏蔽层之间夹着上述自旋阀磁致电阻效应元件，
上述屏蔽层之间被导电部件连接，在上述一对屏蔽层之间使导电电流沿着垂直方向流通。
8.如权利要求1～6中任一项所述的磁头，其特征在于，
还具有一对屏蔽层，上述一对屏蔽层之间夹着上述自旋阀磁致电阻效应元件，
上述第一中间层是绝缘层，在上述一对屏蔽层之间使隧道电流流通。
9.如权利要求1～8中任一项所述的磁头，其特征在于，还具有感应式写入头。
10.一种磁记录装置，其特征在于，至少具有权利要求1～8中任一项所述的磁头、感应式写入头以及磁记录介质。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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