自旋閥磁阻頭、其製造方法以及磁記錄/重放裝置的製作方法

2023-09-18 12:05:20 1

專利名稱：自旋閥磁阻頭、其製造方法以及磁記錄/重放裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及自旋閥(Spinvalve)磁阻頭和它的製造方法以及一種使用自旋閥磁阻頭的磁記錄/重放裝置。
隨著用作計算機外存裝置的磁碟驅動器容量的增加，需要一種高性能的磁頭。作為滿足這一要求的磁頭，已經有一種能夠得到不依賴於磁記錄介質的轉換速度的高輸出的磁阻頭。作為磁阻頭，已經有一種各向異性的磁阻頭(下文稱為AMR頭)和一種自旋閥磁阻頭(下文稱為SV磁阻頭)。AMR頭已經作為一種產品實際併入到磁記錄/重放裝置中，而SV磁阻頭則還處在被人們懷著興趣地看作是下一代磁頭這樣一個階段。
普通的SV磁阻頭具有圖lA所示的結構。更具體地說，第一非磁性絕緣層102形成在第一磁性屏蔽層101上。由NiFe製成的自由磁性層103，由Cu製成的非磁性中間層104，由Nife製成的牽制磁性層105，以及由FeMn製成的反鐵磁層106依次分別形成在第一非磁性絕緣層102上。由自由磁性層103至反鐵磁層106的各層互相連接並在第一非磁性絕緣層102上構成一個平面矩形形狀的圖案。
如

圖1B所示，自由磁性層103的易磁化軸M1順著縱軸方向(圖1B中的y方向)，而牽制磁性層105的磁化方向M2則受到反鐵磁層106和牽制磁性層105之間的交互耦合力作用而指向與磁軌軌芯寬度方向D(圖1B中的y方向)成90°角的方向。
自由磁性層103被牽制磁性層105的磁荷產生的磁場以及感測電流J產生的磁場置偏。自由磁性層103的磁化方向Ml0與磁軌軌芯寬度方向D成0°角，也就是說平行於磁軌軌芯寬度方向D。
一對用黃金或鎢製成的引線107、108連接到反鐵磁層106的磁軌軌芯寬度方向D的兩端。從自由磁性層103到反鐵磁層106的各層和引線107、108均用一個第二非磁性絕緣層109覆蓋起來。另外，一個第二磁性屏蔽層110形成在第二非磁性絕緣層109之上。形成在第一磁性屏蔽層101和第二磁性屏蔽層110之間的間隙相當於一個重放縫隙。
圖1A中的x，y，z方向構成一個正交座標系。這一點同樣適合於其他的附圖。
由於自由磁性層103的磁化方向M10隨外加磁場而變化得偏離易磁化軸M1，因此兩個引線107、108之間的電阻產生與磁化方向M10的變化相對應的變化。由於磁化方向的變化而引起的電阻變化叫做磁阻效應。自旋閥磁阻效應(在下文中稱為「SVMR效應」)，各向異性磁阻效應(下文中稱為「AMR效應」)等等都可被認為是磁阻效應。
SVMR效應是這樣一種磁阻效應，其電阻的變化是由自由磁性層103和牽制磁性層105的磁化方向之間的相對角度的變化造成的。另一方面，AMR效應則是這樣一種磁阻效應，其電阻的變化是由流過磁性層的感測電流J的方向和磁性層的磁化方向之間的相對角度的變化造成的。感測電流J是一個恆定電流。
換句話說，如在圖1A和1B中所示，不僅由SVMR效應引起的磁阻而且由AMR效應引起的磁阻均根據自由磁性層103的磁化方向的變化而變化。
假設牽制磁性層的磁化角定為與磁軌軌芯寬度方向D成90°並且自由磁性層的磁化方向與磁軌軌芯寬度方向成θf角，則由SVMR效應引起的電阻值的改變按Sinθf的函數變化，而由AMR引起的電阻值的改變按Coαθf的函數變化。電阻值的這種變化可以在改變引線107、108之間的感測區電壓的情形下通過在引線107、108之間流過感測電流J而檢測出來。
根據具有上述結構的SV磁阻頭，由AMR效應和SVMR效應產生的電阻p與外加磁場H之間的關係示於圖2。另外，例如說由相對於磁記錄介質111的表面的上下兩個磁場產生的SV磁阻頭的重放輸出孤立波形分別示於圖3。
正如圖2的虛線明顯表示的一樣，如果(例如說)自由磁性層103的磁化方向相對於磁記錄介質111的表面朝上或朝下改變，則由SVMR效應引起的電阻變化成線性連續增加或減少。而且，如果將自由磁性層103的磁化方向朝上變化的情形和自由磁性層103的磁化方向朝下變化的情形互相比較，如圖3的虛線所示，則由於SVMR效應產生的重放輸出呈現對稱性。
根據AMR效應，即使如圖2的點劃線所示那樣自由磁性層的磁化方向相對於磁記錄介質的表面朝上或朝下變化，這樣的磁化方向也可以提供相同的電阻變化和相同的重放輸出，因而呈現如圖3的點劃線所示的那樣的不對稱性。
在SV磁阻頭中，由於SVMR效應引起的電阻變化大，而由於AMR效應引起的電阻變化小，但總的磁阻效應則表現為電阻的變化之和。因此，如圖3的實線所示，由磁頭檢出的重放信號因AMR效應的非線性而變得不對稱。不對稱的允許範圍一般公認為±10％。因而，出現超出-10％到+10％範圍的不對稱性即使在各種參數都被優化的情況下，也會使得信號解調電路進行信號解調非常困難，這樣就存在一個降低誤差率的問題。
但是，如圖3所示，現有技術中的SV磁阻頭造成的不對稱性幾乎等於-14％，它大於±10％。
本發明是考慮到上述問題而提出來的，本發明的一個目的是提供一種能將重放信號的不對稱性抑制在-10％到+10％的範圍之內的自旋閥磁阻頭，其製造方法以及一種使用自旋閥磁阻頭的磁記錄/重放裝置。
下面，將說明本發明的工作過程。
根據本發明，電阻-磁場曲線(ρ-H曲線)可以通過調整構成自旋閥磁阻頭的自由磁性層和牽制磁性層的磁化方向而做成在實用範圍內是線性的。換句話說，通過調整磁化方向提高自旋閥磁阻效應，或者通過降低自由磁性層中的各向異性磁阻效應而把總的ρ-H曲線作成線性。
降低各向異性磁阻效應通過將諸如硼、碳、氮之類的元素加入構成自由磁性層和牽制磁性層的CoFe和NiFe中而成為可能。
如果ρ-H曲線變為線性，則重放輸出的不對稱性可以進一步改善。於是，不對稱性可以降低到-10％至+10％的範圍之內，使解調能變得容易具有良好的精確度。
此外，自由磁性層和牽制磁性層的磁化方向的調整通過在形成這些磁性層的薄膜時改變外磁場的施加方向或者通過在形成薄膜之後在加熱環境中改變外磁場的磁化方向而成為可能。
本發明的其他進一步的目的和特性，在弄明白即將結合附圖敘述的說明性實施例之後將變得顯而易見，或者將在附權利要求書中指出，本文未曾涉及的各種優點，對於熟悉這一技術的人員來說，在把本發明應用於實際之後將會得到。
圖1A是一個透視圖，示出一個現有技術的自旋閥磁阻頭；圖1B是一個透視圖，示出圖1A中磁阻頭的自由磁性層和牽制磁性層的磁化方向；圖2是一個特性曲線圖，示出圖1A中自旋閥磁阻頭的ρ-H曲線；圖3是一個示意圖，示出圖1A中自旋閥磁阻頭的重放輸出波形；圖4A是一個透視圖，示出根據本發明一個實施例的自旋閥磁阻頭；圖4B是一個透視圖，示出圖4A中磁阻頭的自由磁性層和牽制磁性層的磁化方向；圖5是一個特性曲線圖，示出根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭重放輸出中出現的不對稱磁化角依從關係的第一個例子；圖6是一個特性曲線圖，示出根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭重放輸出中出現的不對稱磁化角依從關係的第二個例子；圖7是一個特性曲線圖，示出根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭重放輸出中出現的不對稱磁化角依從關係的第三個例子；圖8是一個特性曲線圖，示出根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭中AMR效應與SVMR效應之比和不對稱性之間的關係；圖9是一個特性曲線圖，示出根據本發明實施例的自旋閥磁性頭中不對稱性和自由磁性層單膜的AMR效應之間的關係；圖10是一個特性曲線圖，示出根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭中不對稱性和SVMR效應之間的關係；圖11A是一個透視圖，示出根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭的第一具體例子；圖11B是一個透視圖，示出圖11A中磁阻頭的自由磁性層和牽制磁性層的磁化方向；圖12是一個特性曲線圖，示出圖11A中的自旋閥磁阻頭的ρ-H曲線；圖13是一個示意圖，示出用圖11A中的自旋閥磁阻頭重放的輸出波形；圖14是一個透視圖，示出用於製造根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭的濺射設備的一個適當部分；圖15A至15D是截面視圖，說明圖11A中根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭的製造步驟；圖16A是一個透視圖，示出根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭的第二具體例子；圖16B是一個透視圖，示出圖16A中磁阻頭的自由磁性層和牽制磁性層的磁化方向；圖17是一個特性曲線圖，示出NiFe/CoFe雙層結構中AMR效應的薄膜厚度依從關係，以及NiFe/CoFeB雙層結構中AMR效應的薄膜厚度依從關係；圖18是一個特性曲線圖，示出圖16A中自旋閥磁阻頭的ρ-H曲線；圖19是一個示意圖，示出用圖16A中自旋閥磁阻頭重放的輸出波形；圖20A是一個透視圖，示出根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭的第三個具體例子；圖20B是一個透視圖，示出圖20A中的磁頭的自由磁性層和牽制磁性層的磁化方向；圖21是一個特性曲線圖，示出圖20A中自旋閥磁阻頭的ρ-H曲線；圖22是一個示意圖，示出用圖20A中自旋閥磁阻頭重放的輸出波形；圖23A至23C是截面視圖，說明圖20A中根據本發明實施例的自旋磁阻頭的製造步驟；
圖24是一個平面視圖，示出圖20A中根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭中牽制磁性層的磁化方向的變例；圖25是一個斷面圖，示出根據本發明的一個記錄/重放磁頭；和圖26是一個平面圖，說明根據本發明的裝有重放磁頭的磁碟驅動器的內部結構。
圖25將參照附圖敘述本發明的各種實施例。應當指出，同樣或者類似的標號在所有的附圖中均適用於同樣或者類似的部件或元件，並將省略或簡化對同樣或類似部件或元件的敘述。
圖4A和4B是透視圖，示出根據本發明實施例的自旋閥磁阻頭。
在圖4A中，第一非磁性絕緣層2形成在第一磁性屏蔽層1之上。一個自由磁性層3，一個非磁性中間層4，一個牽制磁性層5以及一個反鐵磁層6按順序分別形成在第一非磁性絕緣層2上。自由磁性層3至反鐵磁層6在第一非磁性絕緣層2之上構成具有平面矩形形狀的圖案。自由磁性層3和牽制磁性層5分別用軟磁材料製成。
如圖4B所示，自由磁性層3的磁化方向M01指向與磁軌軌芯寬度方向D(圖4B中的y方向)或θf角度的方向。牽制磁性層5的磁化方向M2由於反鐵磁層6和牽制磁性層5之間的交互耦合力作用而指向與磁軌軌芯寬度方向D成θρ角度的方向。
一對用黃金或鎢製成的引線7a、7b形成在緊靠反鐵磁層6的磁軌軌芯寬度方向D的兩端處。從自由磁性層3至反鐵磁層6的各層以及引線7a、7b均用一個第二非磁性絕緣層8覆蓋起來。一個第二磁性屏蔽層9形成在第二非磁性緣層8上。形成在第一磁性屏蔽層1和第二磁性屏蔽層9之間的間隙充當重放縫隙。
下文將說明圖3所示的不對稱性是怎樣根據這種SV磁阻頭中的自由磁性層3的磁化角度θf和牽制磁性層5的磁化角度θρ的變化而改變的。
首先，假設使用二次方程分析圖2所示SV磁阻頭的ρ-H曲線，就會給出下面的方程(1)。使用二次方程分析的理由是角度θf和θρ局部不同。其中ρ(H)是一個表示ρ-H曲線的函數，SV磁阻頭的SVMR效應和AMR效應在曲線上疊加，並且ρ(H)是在磁場為零時得到的一個函數。(H)=(0)+H(0)+12H2(0)---(1)]]>假設當磁場H稍稍變成正方向時引起的電阻改變量表示為V(+)，當磁場H稍稍變成負方向時產生的電阻改變量表示為V(-)，則這些V(+)和V(-)被分別表示為V(+)＝ρ(ΔH)-ρ(0)＝=H(0)+12H2(0)---(2)]]>V(-)＝ρ(0)-ρ(-ΔH)＝=H(0)-12H2(0)---(3)]]>其中用SV磁阻頭重放的輸出的不對稱性定義為Asym=V(+)-V(-)V(+)+V(-)=(0)(0)H2---(4)]]>如果ρ(0)對磁場H求二次微分的結果與ρ(0)對磁場H求一次微分的結果之比乘以外加磁場ΔH，就能導出方程(4)所示的不對稱性。
下一步，假定把方程(1)表示成自由磁性層3的磁化角θf和牽制磁性層5的磁化角θρ的函數，則可導出=(0)+SV(12cos(p-f)+amr.cos2f)---(5)]]>式中amr等於由SVMR效應引起的電阻變化和由AMR效應引起的電阻變化之比。換句話說，如果假定由SVMR效應引起的電阻變化為ΔρsV，，則由AMR效應引起的電阻變化可表示為ΔρA＝amrΔρsV。另外，ρ(0)是一個電阻函數，其中已去掉由磁阻效應引起的電阻變化。
如果通過牽制磁性層5和反鐵磁層6之間的交互耦合力作用來固定牽制磁性層5的磁化角θρ，則將輸出ρ(0)對磁場H的一次微分為(0)=H=(sinfH)sinf---(6)]]>並且給出ρ(0)對磁場H的二次微分為(0)=2H2=(sinfH)22sinf2+(2sinfH2)sinf---(7)]]>此外，ρ對Sinθf的一次微分結果可以給出為sinf=12sv((cosptanf-sinp)-4amrsinf)---(8)]]>且ρ對Sinθf的二次微分也可給出為2sinf2=12sv(cospcos3f-4amr)---(9)]]>將方程(6)至(9)代入表示不對稱性場的函數Asym的方程(4)得到Asym={cospcos3f-4amrcosptanf-sinp-4amrsinf(sinfH)+(2sinfH2)(sinfH)}H2--(10)]]>方程(10)的第一項表示SVMR效應與AMR效應之和裡面的不對稱性。方程(10)的第二項表示自由磁性層3中Sinθf的外加磁場引起的不對稱性。
如果根據方程(10)計算不對稱性，就能得到圖5至7所示的結果。圖中使用一個座標系來說明不對稱性的分布。在座標系中以自由磁性層3的磁化角θf為橫軸，以牽制磁性層5的磁化角θρ作垂直軸。
圖5示出當SV磁阻頭的amr設定為25％時的不對稱性分布。圖6也示出當SV磁阻頭的amr設定為15％時的不對稱性分布，並且圖7也示出當SV磁阻頭的amr設定為5％時的不對稱性分布。
在圖5至7中，由虛線示出的七邊形區域內部可實際用到產品上。這是因為不對稱性的等值線在七邊形區域之外非常濃密，以致難以確定不對稱值。結果，造成信號解調困難。再者，如果自由磁性層3的磁化角θf超出-40°至+40°的範圍，不對稱性會上升。
圖5至7中七邊形的各頂點(θf，θρ)的坐標值為(-10°，0°)，(-40°，60°)，(-40°，100°)，(10°，130°)，(40°，100°)，(40°，60°)，和(10°，0°)。
一般，在普通的重放磁頭中，方程(10)的第二項中Sinθf對外加磁場H的響應滿足線性要求，並且還比第一項足夠小。為此，可認為主要影響不對稱性的僅有第一項。於是，不對稱性可表示為Asymcospcos3f-4amrcosptanf-sinp-4amrsinf(sinfH)H2--(11)]]>為了將不對稱降低到0％，重要的是使方程(11)中的分子〔(COSθρ/COS3θf)-4amr〕等於零。於是，最好通過選擇除90°以外的一個角度作為牽制磁性層5的磁化角θρ來使方程(11)接近於零。
在圖1A所示常規的SV磁阻頭中，牽制磁性層5的磁化角θρ選為90°，而自由磁性層3的磁化角則選為0°。
但是，正如可由圖5至7所看到的，用這樣的磁化角θf，θρ，不對稱性並不駐留在0％等值線上。例如，在圖5中θρ角等於90°和θf等於0°的點上不對稱性變為15％左右。理由是，由於COSθρ包含在方程(11)分子的第一項中，僅留下第二項中由AMR效應得出的-4amr，因而不對稱性正比於-4amr。
儘管偏置位置即自由磁性層3的磁化角度化，也只是方程(11)的分母相應改變，結果分子的-4amr基本不變。於是，在牽制層5的磁化角θρ等於90°的自旋閥磁阻頭中，從根本上說，不對稱性從不變成0％而是總為負值。這一情況示於圖5至7中。如果角度θf，θρ從磁軌軌芯寬度方向D朝著磁記錄介質10-側傾斜，它們就變成負值，而如果角度θf，θρ從磁軌軌芯寬度方向D朝著另一側傾斜，則它們變為正值。
為了將不對稱性抑制在+10％以內，由AMR效應引起的不對稱性可以通過傾斜牽制磁性層5的磁化角來消除。
由圖5至7能夠看出，如果把牽制磁性層5的磁化角θp與自由磁性層3的磁化角θf相結合，不對稱性就能夠降低到0。這是因為，如果將角θp設置為不等於90°的一個角，就一定存在這樣的牽制磁性層5和自由磁性層3的磁化角θp，θf，使方程(11)分子的第一項因COSθp而變為正值，且被根據AMR效應得出的第二項中的-4amr所抵消，從而把方程(11)的分子變為零。
牽制磁性層5和自由磁性層3的這些磁化角θp，θf隨著SV磁阻頭中的amr值而定。這樣一來，如果牽制磁性層5的磁化角θp和偏置位置即自由磁性層3的磁化角θf選擇得與amr相適應，就有可能將不對稱性降低到0％或者在小於足可允許的範圍±10％以內。這裡amr定義為由AMR效應和SVMR效應引起的電阻變化之比。
甚至在牽制磁性層5的磁化角等於90°的情形，不對稱性也能做得足以在允許的範圍之內。在這一情況下，要求減少amr。
由以上所述，我們知道，通過使用具有小amr的自旋閥磁阻頭可以把不對稱性做得很小。
圖8是一個曲線圖，示出自旋閥磁阻頭中的amr和不對稱性之間的關係。正像這條曲線一樣，通過將amr降到小於15％，不對稱性可改善到小於可允許的範圍-10％。amr表示SV磁阻頭中的AMR效應和SVMR效應引起的電阻變化之比。因此，可以考慮兩種方法作為降低amr的手段。
第一種方法是降低自由磁性層3本身的AMR效應，而第二種方法則是增加SVMR效應。
首先，說明降低AMR效應。圖9是一個曲線圖，示出自由磁性層3單薄膜的不對稱性和AMR效應之間的關係。在這一方法中，不對稱性隨著AMR效應的減低而均勻地改善。這說明不對稱性是由AMR效應造成的這樣一個事實。
因此，不言而喻，降低AMR效應對抑制不對稱性大有作用。為了把不對稱性降低到-10％以內或更少些，自由磁性層3單薄膜的AMR效應必須小於1％。在圖9中，沿橫軸的AMR比率表示由AMR效應引起的最大和最小電阻值。
下面，將參照圖10說明增加SVMR效應的功用。
圖10是一個曲線圖，示出不對稱性和SVMR效應之間的關係。在這一方法中，可以體會到不對稱性的降低與SVMR效應的增加或反比例。這使人聯想到不對稱性的原因不是來自SVMR效應。也就是說，不對稱性隨著重放輸出的增加(由SVMR效應的增加造成)而相對降低。為了把不對稱性改善得降低到小於可允許的範圍-10％，不用說，SVMR效應必須增加到超過4％。
圖10中的SV比率表示由SVMR效應引起的最大和最小電阻值的比率。
考慮到上面的說明，下文將說明SV磁阻頭的一個例子，在例子中不對稱性可以通過設定自由磁性層3和牽制磁性層5的相應磁化角(不同於常規的磁化角)而得到改善。
(第一個例子)圖11A是一個透視圖，示出SV磁阻頭的一個適當部分。
一個用A1203製成的非磁性絕緣層12形成在用NiFe製成的第一磁性屏蔽層11之上。一個用NiFe製成的自由磁性層13，一個用Cu製成的非磁性中間層14，一個用NiFe製成的牽制磁性層15，以及一個用FeMn製成的反鐵磁層16按順序分別形成在第一非磁性絕緣層12上。在這一情形下，自由磁性層13的薄膜厚度為7.5nm，非磁性中間層14的薄膜厚度為3nm，牽制磁性層15的薄膜厚度為3nm，以及反鐵磁層16的薄膜厚度為10nm。
自由磁性層13至反鐵磁層16相互電連接，並在第一非磁性絕緣層12上構成具有平面矩形的圖案。而且，一對用黃金或鎢製成的引線17a，17b形成在反鐵磁層16的兩端。
第一非磁性絕緣層12之上的反鐵磁層16以及引線17a，17b等等均被用A1203製成的第二非磁性絕緣層18覆蓋。一個由NiFe製成的第二磁性屏蔽層19形成在第二非磁性絕緣層18上。
在這樣的SV磁阻頭中，如圖11B所示，自由磁性層13的易磁化軸M1基本與磁記錄介質20的表面平行並具有與磁軌軌芯寬度方向D一樣的方向。此外，當感測電流J流過兩個引線17a，17b之間的感測區時，自由磁性層13的磁化方向M10從易磁化軸方向傾斜+7°。
藉助牽制磁性層15和反鐵磁層16之間的交互耦合力作用，牽制磁性層15的磁化方向M2指向與磁軌軌芯寬度方向D成+35°的方向。如果磁化方向從磁軌軌芯寬度方向D朝磁記錄介質一側傾斜，則磁化方向相對於磁軌軌芯寬度方向D的角度變為負值，而如果它們從磁軌軌芯寬度方向D朝另一側傾斜，它們就變為正值。
如果感測電流J的方向和磁化方向M10之間的夾角由於AMR效應而變化，則自由磁性層13中的電阻值變化。隨著因AMR效應而引起磁化方向M10和磁化方向M2的不平行分量增加，自由磁性層13和牽制磁性20的層15的電阻值增加。反之，隨著磁化方向的平行分量增加，其電阻值減少。
同時，已經敘述過，如果用SV磁阻頭重放以正方向由磁記錄介質20輸出的信號磁場和它的反方向的信號磁場，則這兩個重放信號相對於某一數值形成對稱。比較完美的對稱當然是所希望的，但是實際上，對稱性會由於自由磁性層13的AMR效應而惡化。
在圖11A和11B所示的SV磁阻頭中，由SVMR效應引起的電阻變化為3％，由AMR效應引起的自由磁性層13的電阻變化為1.5％。而且，表示由SVMR效應引起的電阻變化和由AMR效應引起的電阻變化之比的amr等於20％。
下面，考慮由圖11A所示SV磁阻頭的磁阻效應而得出的ρ-H曲線之後，得到圖12所示的結果。在圖12中，很明顯，由於SVMR效應的非線性與AMR效應的非線性顯得互相相反，因而作為這兩個磁阻效應之和得出的SV磁阻頭的磁阻效應的線性變得非常好。
通過使用一個電感磁頭，磁數據被寫入圓盤型磁記錄介質20的一個磁軌的第一存儲單元，以生成一個朝上方向的磁場，並且磁數據還被寫入一個第二存儲單元以生成一個朝下方向的磁場。然後，這些磁數據被圖11A所示的SV磁阻頭重放。
對於存放在第一存儲單元的磁數據重放輸出波形，得出一個基於由SVMR效應和AMR效應兩者引起的電阻變化的第一重放輸出波形，如同圖13中用實線示出的低谷形狀。對於存放在第二存儲單元的磁數據重放輸出波形，得出一個基於由SVMR效應和AMR效應兩者引起的電阻變化的第二重放輸出波形，如同圖13中用實線示出的高山形狀。重放輸出是電壓輸出形式的輸出，它正比於電阻變化。
結果，正如由圖12所能看到的，在第一重放輸出的波形和第二重放輸出的波形中，不對稱性被抑制在1％以下，小於現有技術中的不對稱性。這個不對稱性由方程(4)導出的數值組成，並且根據圖19中的實驗結果，這些數值基本上與方程(10)或方程(11)導出的數值一致。
下面，再說明圖11A所示的SV磁阻頭的製造步驟。構成SV磁阻頭的諸薄膜藉助圖14所示的濺射設備生長而成。
基片固定部件22(基片裝載於其一個面上)被裝入濺射設備的腔室21內。用於在基片固定區域的一方向上生成磁場H10的磁場發生裝置23放置在基片固定部件22的兩側。靶24放置在離基片固定部件22上的基片固定區一定距離的地方。腔室21中的壓力在濺射時降到5×10-5巴(4×10-7乇)的反壓力，然後將氬氣引入腔室21內，再在0、3巴(2×10-3乇)下形成薄膜。可以使用一個永久磁鐵或者一個電磁鐵作為磁場發生裝置23。
使用濺射設備，如圖15A所示，首先在由鋁、鈦、碳等等製成的基片SVB上形成由NiFe製成的第一磁性屏蔽層11和由A1203製成的第一非磁性絕緣層12。然後，在第一非磁性絕緣層12上形成由FiFe製成的7.5nm厚自由磁性層13和由Cu製成的3nm厚非磁性中間層14。
在這一情形，自由磁性層13和非磁性中間層14形成於磁場發生裝置23產生的在室溫條件下沿一個方向具有100奧斯特的磁場H11中。磁場H11的方向與自由磁性層13的易磁化軸一致。
在這以後，將基片固定部件22以及位於固定部件22下方的基片SUB從易磁化軸轉動35°。
接著，如圖15B所示，在非磁性中間層14上形成由NiFe製成的3nm厚牽制磁性層15，再在牽制磁性層15上形成由FeMn製成的10nm厚反鐵磁層16。牽制磁性層15和反鐵磁層16形成於磁場發生裝置23生成的100奧斯特的磁場H12中。然後，從濺射設備中取出基片SUB。
如圖15C所示，自由磁性層13至反鐵磁層16構成一個如同矩形的圖案。矩形的長邊指向順著與自由磁性層13的易磁化軸一致的方向。接著，在反鐵磁層16的兩端形成由黃金或鎢製成的一對引線17a，17b。
然後，如圖15D所示，通過濺射形成第二非磁性絕緣層以將引線17a，17b，反鐵磁層16等等覆蓋起來。在第二非磁性層18上形成由NiFe製成的第二磁性屏蔽層19。
這樣，圖11A和11B所示的SV磁阻頭的基本結構就被完成了。
從自由磁性層13至反鐵磁層16各層可按上面的正順序疊置或者以相反的順序疊置。
(第二個例子)建議使用鐵鈷合金(CoFe)作為SV磁阻頭中自由磁性層的材料。通過將諸如硼、碳或氮之類的一種元素摻入到鐵鈷合金中，能夠抑制自由磁性層的各向異性磁阻效應。下文將說明一個使用鐵鈷合金的例子。
圖16A是一個透視圖，示出SV磁阻頭的一個適當部分。
在用NiFe製成的第一磁性屏蔽層31上形成一個用A1203製成的第一非磁性絕緣層32。在第一非磁性絕緣層32上形成一個用NiFe製成的自由磁性層33。自由磁性層具有一個由NiFe層和(CO90Fe10)90B10層構成的雙層結構。(CO90Fe10)90B10中的下標表示構成比例(原子含量百分數)。
由Cu製成的非磁性中間層34，由(CO90Fe10)90B10製成的牽制磁性層35，以及由FeMn製成的反鐵磁層36按順序分別形成在自由磁性層33上。
在這一情形，自由磁性層33的薄膜厚度為7.5nm，非磁性中間層34的薄膜厚度為3nm，牽制磁性層35的薄膜厚度為3nm，以及反鐵磁層36的薄膜厚度為10nm。
自由磁性層33至反鐵磁層36互相電連接，並在第一非磁性絕緣層32上構成一個具有平面矩形形狀的圖案。還有，一對由黃金或鎢製成的引線37a，37b形成在反鐵磁層36的兩端。
第一非磁性絕緣層32上的反鐵磁層36以及引線37a，37b等等用A1203製成的第二非磁性絕緣層38覆蓋起來。由NiFe製成的第二磁性屏蔽層39形成在第二非磁性絕緣層38上。
在這種SV磁阻頭中，如圖16B所示，自由磁性層33的易磁化軸M1基本上平行於磁記錄介質30的表面30，並且具有與磁軌軌芯寬度方向D同樣的方向。而且，通過兩條引線37a，37b供給感測電流J(5mA)時，自由磁性層33的磁化方向M10從易磁化軸M1傾斜-47°。
藉助牽制磁性層35與反鐵磁層36之間的交互耦合力作用，牽制磁性層35的磁化方向M2指向與軌芯寬度方向D成90°的方向。
自由磁性層33的易磁化軸和牽制磁性層35的磁化角均在第一個例子所示的薄膜形成過程期間設定好。
在圖13A和13B所示的SV磁阻頭中，由SVMR效應引起的電阻變化等於5％，由AMR效應引起的自由磁性層33的電阻變化等於0.9％。此外，表示SVMR效應引起的電阻變化與AMR效應引起的電阻變化之比的amr變成為7％。
同時，已經敘述過，如果用SV磁阻頭重放以正方向從磁記錄介質30輸出的信號磁場和它的反方向的信號磁場，則這兩個重放信號相對於某一數值形成對稱。更完美的對稱性當然是所希望的，但實際上對稱性會由於AMR效應而惡化。
但是，使用CoFe層作為雙層結構中的自由磁性層33，不僅增加了SV磁阻頭的SVMR效應，而且也增加了AMR效應。另一方面，如果CoFe中含有硼，則發現可以像如下所說那樣降低AMR效應。
首先，形成由NiFe層和CoFeB層構成並具有厚度75埃的雙層結構作為第一磁性層。如果通過改變NiFe層和CoFeB層薄膜厚度的比例研究AMR比率，就會像圖17中實線所指出的那樣，體會到AMR比率隨著CoFeB層厚度的增加而變小。至於CoFeB的成分，Co為81個原子百分數Fe為9個原子百分數，硼為10個原子百分數。
再者，形成由NiFe層和CoFe層構成並具75埃厚度的雙層結構作為第二磁性層。如果通過改變NiFe層和CoFe層薄膜厚度的比例研究AMR比率，就會像圖17的虛線所指出的那樣，體會到AMR比率隨著CoFe層厚度的增加而變大。
根據圖17，發現是第一磁性層而不是第二磁性層具有較小的AMR比率。第一磁性層的AMR比率隨著CoFeB層變厚而下降多得多。在第一磁性層僅由CoFeB組成的情形，AMR比率降至大約0.2％的極限。在第二磁性層僅由CoFeB層組成的情形，AMR比率雖可以做得很小，但由於它有較大的矯頑磁力而最好不用作自由磁性層。
下面，如果根據外加磁場研究圖16A所示磁阻頭中的電阻變化，則由AMR效應引起的電阻變化可以做得像圖17所示那樣極小。而且由總的磁阻效應(SVMR+AMR)所得出的ρ-H曲線的線性區域可以擴寬，從而改善了線性度。
使用一個電感磁頭，將磁數據寫入圓盤型磁記錄介質30的一個磁軌的第一存儲單元以產生一個朝上方向的磁場，並且還將磁數據寫入第二存儲單元以產生一個朝下方向的磁場。然後，通過圖16A所示的SV磁阻頭重放這些磁數據。
對於存放在第一存儲單元的磁數據的重放輸出波形，得出一個基於由SVMR效應和AMR效應兩者引起的電阻變化的第一重放輸出波形，如同圖19中以實線示出的低谷形狀。對於存放在第二存儲單元的磁數據重放輸出波形，得出一個基於由SVMR效應和AMR效應兩者引起的電阻變化的第二重放輸出波形，如同圖19中以實線示出的高山形狀。
結果，由於重放輸出中由AMR效應引起的變化很小，故在第一重放輸出的波形和第二重放輸出的波形中相對於一個作為中心的預定重放輸出數值的對稱性就被改善了。在第一重放輸出的波形中和第二重放輸出的波形中的不對稱性被抑制到-4.6％，它小於現有技術中的不對稱性。
(第三個例子)將說明一種磁頭結構，其中構成SV磁阻頭的磁性層以和第二例中相反的順序疊置並且牽制磁性層的磁化方向M2和自由磁性層的易磁化軸M1安排得與第二個例子中的不同。
在圖20A中，在由NiFe製成的第一磁性屏蔽層41上形成一上用A1203製成的第一非磁性絕緣層42。
一個由FeMn製成的反鐵磁層46，一個用(Co90Fe10)90B10製成的牽制磁性層45，一個用Cu製成的非磁性中間層44，以及一個用NiFe製成的自由磁性層43按順序分別形成在第一非磁性絕緣層42上。
自由磁性層43具有一個由NiFe層和(Co90Fe10)90B10層構成的雙層結構。
反磁性層46至自由磁性層43互相電連接並且在第一非磁性絕緣層42上構成具有平面矩形形狀的圖案。另外，一對由黃金製成的引線47a，47b形成在自由磁性層43的兩端。
用一個第二非磁性絕緣層48將形成在第一非磁性絕緣層42上的自由磁性層43，引線47a，47b等等覆蓋起來。一個由NiFe製成的第二磁性屏蔽層49形成在第二非磁性絕緣層48之上。
自由磁性層43的厚度為7.5nm，非磁性中間層44的厚度為3nm，牽制磁性層45的厚度為2nm，以及反鐵磁層46的厚度為50nm。
在這樣的SV磁阻頭中，如圖20B所示，自由磁性層43的易磁化軸M1基本上與磁軌軌芯寬度方向D平行。而且，在通過兩個引線47a，47b之間的感測區提供感測電流J時，自由磁性層43的磁化方向從易磁化軸傾斜-17°。藉助牽制磁性層45與反鐵磁層46之間的交互耦合力作用，牽制磁性層45的磁化方向M2指向與磁軌軌芯寬度方向D成75°的方向。
在SV磁阻頭中，由SVMR效應引起的電阻變化為5％，由AMR效應引起的自由磁性層43的電阻變化為0.9％。此外，表示SVMR效應引起的電阻變化和AMR效應引起的電阻變化的比率的amr變為7％。
下面，如果研究圖21所示的SV磁阻頭的ρ-H曲線，則由AMR效應引起的電阻變化可以做得極小，並且ρ-H曲線的線性區域可以擴寬，從而可以得到一個線性特性曲線。
利用電感磁頭，把磁數據寫入圓盤形磁記錄介質40的一個磁軌上的第一存儲單元中以產生一個朝上方向的磁場，並且磁數據也寫入第二存儲單元中以產生一個朝下方向的磁場。然後，通過圖20A所示的SV磁阻頭重放這些磁數據。
對於存放在第一存儲單元的磁數據的重放輸出波形，得出一個基於由SVMR效應和AMR效應兩者引起的電阻變化的第一重放輸出波形，如同圖22中用實線示出的低谷形狀。對於存放在第二存儲單元的磁數據的重放輸出波形。得出一個基於由SVMR效應和AMR效應兩者引起的電阻變化的第二重放輸出波形，如同圖22中用實線示出的高山形狀。
結果，因為在重放輸出中由AMR效應引起的變化不大，所以在第一重放輸出的波形中和在第二重放輸出的波形中相對於一個作為中心的預定重放輸出數值的對稱性就被改善了。第一重放輸出的波形和第二重放輸出的波形中的不對稱性被抑制到0.7％。
下面，將在下文中說明設置自由磁性層和牽磁性層的與第一個例子不同的磁化角的方法。
藉助使用具有圖14所示結構的濺射設備，在一個基片SUB上形成諸薄膜。換句話說，如圖23A所示，在基片SUB上形成第一磁性屏蔽層41和第一非慈生絕緣層42。然後，利用磁場發生裝置23生成在一個方向上具有100奧斯特的磁場H3。藉助在磁場H3的環境中濺射，在第一非磁性絕緣層42上按順序形成反鐵磁層46，牽制磁性層45，非磁性中間層44，以及自由磁性層43。自由磁懷層43和牽制磁性層45藉助磁場H3而具有同一方向的易磁化軸。這些易磁化軸與磁軌軌芯寬度D成0°角。
這些層43至46的材料和厚度以和前面所述相同的方法選擇。
接著，在基片SUB從濺射設備中取出之後，如圖23B所示，自由磁性層43至反鐵磁層46構成如像矩形的圖案。矩形的長邊指向與自由磁性層43的易磁化軸一致的方向。隨後，在自由磁性層43的兩端形成用黃金或鎢製成的一對引線47a，47b。
隨後，如圖24所示，將牽制磁性層45和反鐵磁層46放在2500奧斯特的磁場H4中，同時用加熱器將基片SUB加熱到超過反鐵磁層46的阻塞溫度即230℃。這個磁場H4由磁場發生裝置52產生。磁場發生裝置52被放置得產生一個與磁軌軌芯寬度D成75°的磁場H4。磁場H4的強度設置得大於牽制磁性層45或各向異異性磁場的矯頑磁力。
在這樣的加熱條件下，如果把牽制磁性層45和反鐵磁層46放在磁場中，則牽制磁性層的磁化角M2藉助於反鐵磁層46和牽制磁性層45之間的交互耦合力作用而變到磁場H4的方向，使它變得如圖20B所示。在這以後，如圖23C所示，通過濺射形成第二非磁性絕緣層48，把引線47a，47b，自由磁性層43等等覆蓋起來。在第二非磁性絕緣層48上形成由NiFe構成的第二磁性屏蔽層49。
這樣，圖20A和20B所示的SV磁阻頭的基本結構就被完成了。
在上述第一至第三個例子中，雖然使用FeMn，NiO作反鐵磁層，但其他如pdptMn反鐵磁材料也可以使用。雖然硼被用作加入用於反鐵磁層或自由磁性層的CoFe中的材料，但諸如碳、氮之類的一種元素都可摻入CoFe中。這些元素都能抑制自由磁性層的AMR效應。
此外，如果硼、碳、氮之類的一種元素摻入到用於反鐵磁層或自由磁性層的NiFe中，也能獲得降低AMR效應的同樣優點。
再者，作為控制自由磁性層朝著一個預定方向磁化的手段，與牽制磁性層交互耦合的磁場，感測電流磁場，牽制磁性層的靜電磁場，磁性屏蔽層產生的鏡像磁場等等都可以使用。當然，因為磁化角會受附近的磁體或上述以外的其他電流產生的磁場影響，故這些方法也都可以使用。
在第三個例子中，在圖案形成步驟之後，在磁場中進行熱處理以固定牽制磁性層的磁化角。但是，如果牽制磁性層和反鐵磁層被形成，則放在磁場中的熱處理可以在圖案形成步驟之前進行，或者可以結合到圖案形成步驟中進行。
在上面敘述的實施例中，雖然選擇了將不對稱降至-10％到+10％範圍以內作為設計目標，但如果要求和這種方法不同的特殊不對稱性的話，也可以設計出滿足這種特殊不對稱性的磁化角狀態。
如上所述，根據本發明，由於可以通過調整構成自旋閥磁阻頭的自由磁性層和牽制磁性層的磁化方向而把電阻-磁場曲線(ρ-H曲線)做成在實用範圍內是線性的，自旋閥磁阻效應能得到提高，或者說自由磁性層的各向異性磁阻效應能做得很小。這樣如果ρ-H曲線變為直線，重放輸出的對稱性就能晚進一步改善，並且不對稱性能降低到-10％至+10％的範圍以內，從而使解調變得容易。通過將諸如硼、碳、氮一類的元素摻入構成自由磁性層和牽制磁性層的CoFe和NiFe，降低各向異性磁阻效應就變成可能了。
此外，通過在自由磁性層和牽制磁性層的形成中改變外加磁場的方向或者在形成薄膜之後改變加熱環境中的外磁場磁化方向，就使得調整自由磁性層和牽制磁性層的磁化方向變為可能了。
對於接受本發明的透露的理論之後的那些熟悉這一技術的人員，各種修改都是可能的，不需要脫離本發明的範圍。
下面，參照圖25和圖26敘述根據本發明應用自旋閥磁阻效應器件的磁碟驅動器的磁頭和磁記錄介質。
如圖25所示，磁碟驅動器的磁頭包括一個基片(或滑動塊)61，一個置於基片61上的重放頭62，以及一個緊靠重放頭62的記錄頭63。重放頭62包括一個第一磁性屏蔽層64，通過一個絕緣薄膜(未示出)置於第一磁性屏蔽層64上的自旋閥MR效應器件65，一個由自旋閥MR效應器件65引出的電極端子(或引線端子)66，一個用於覆蓋自旋閥MR效應器件65和電極端子66的絕緣薄膜67，以及一個置於絕緣薄膜67上的第二磁性屏蔽層68。
自旋閥MR效應器件65的結構示於圖4A、11A、16A和20A。
記錄頭63包括一個位於第二磁性屏蔽層68上的第三磁性屏蔽層69，一個裝填於被第二和第三磁屏蔽層68和69包圍的空間中的絕緣層70，以及一個埋藏在絕緣層70之中的線圈71。
第一，第二和第三磁性屏蔽層64、68和69分別由軟磁體構成。在磁記錄介質72與第一、第二和第三磁性屏蔽層64、68和69之間的空間形成一個縫隙。
如圖26所示，一個磁碟驅動器80包括磁碟10，具有自旋閥MR頭62和記錄頭63的滑動塊61，以及支撐滑動塊61的彈簧臂73。
權利要求
1.一種自旋閥磁阻頭，包括一個用軟磁材料製成的自由磁性層；一個與所述自由磁性層重疊的非磁性中間層；以及一個與所述非磁性中間層重疊並由軟磁材料製成的牽制磁性層；其中所述自由磁性層的磁化角和所述牽制磁性層的磁化角相對於磁軌軌芯寬度方向被設定得使根據自旋閥磁阻效應(由所述自由磁性層和所述牽制磁性層之間的相對角度變化引起)與各向異性磁阻效應(由所述自由磁性層的磁化和流過所述自由磁性層的電流之間的相對角度引起)之總和而得出的電阻-磁場曲線變為線性。
2.根據權利要求1所述的自旋閥磁阻頭，其中一個反鐵磁層被形成得與所述牽制磁性層相接觸，並且通過所述反鐵磁層與所述牽制磁性層之間的交互耦合固定所述牽制磁性層的磁化方向。
3.根據權利要求1所述的自旋閥磁阻頭，其中所述牽制磁性層的磁化方向從垂直方向相對於所述磁軌軌芯寬度方向傾斜。
4.根據權利要求1所述的自旋閥磁阻頭，其中所述自由磁性層的磁化方向從所述磁軌軌芯寬度方向傾斜。
5.根據權利要求3所述的自旋閥磁阻頭，其中所述自由磁性層的磁化方向和所述牽制磁性層的磁化方向分別在由一個座標系中具有坐標值(-10°，0°)，(-40°，60°)，(-40°，100°)，(10°，130°)，(40°，100°)，(40°，60°)，以及(10°，0°)的頂點所圍成的區域內傾斜，這裡將相對於所述磁軌軌芯寬度的第一個角畫在橫軸上，並將相對於所述磁軌軌芯寬度的所述牽制磁性層磁化的第二個角畫在垂直軸上。
6.根據權利要求3所述的自旋閥磁阻頭，其中反鐵磁層被形成得與所述牽制磁性層相接觸，並且通過所述反鐵磁層與所述牽制磁性層之間的交互耦合來固定所述牽制磁性層的磁化方向。
7.一種自旋閥磁阻頭，包括一個用軟磁材料製成的自由磁性層；一個重疊在所述自由磁性層上的非磁性中間層；以及一個重疊在所述非磁性中間層上並由軟磁材料製成的牽制磁性層；其中由各向異性磁阻效應引起的電阻變化相對於由一種磁阻效應(由所述牽制磁性層和所述自由磁性層之間的磁化角之差造成)引起的電阻變化之比小於15％。
8.根據權利要求7所述的自旋閥磁阻頭，其中由所述自由磁性層的所述各向異性磁阻效應引起的電阻變化率小於1％。
9.根據權利要求8所述的自旋閥磁阻頭，其中所述自由磁性層系由CoFe合金、摻入一種元素x的CoFex基合金、NiFe合金、或摻入一種元素Y的NiFeY基合金製成的單層或多層結構組成。
10.根據權利要求9所述的自旋閥磁阻頭，其中所述CoFe合金的原子分部比例為Co等於85到95原子百分數，Fe等於5到15原子百分數。
11.根據權利要求9所述的自旋閥磁阻頭，其中所述CoFeX合金的原子分部比例為Co等於85到95原子百分數，Fe等於5到15原子百分數。
12.根據權利要求9所述的自旋閥磁阻頭，其中所述X為硼、碳或氮。
13.根據權利要求7所述的自旋閥磁阻頭，其中由所述磁阻效應(由所述自由磁性層和所述牽制磁性層之間的相應磁化角的差造成)引起的電阻變化率大於6％。
14.一種磁碟驅動器，包括(a)一個自旋閥磁阻頭，包括一個由軟磁材料製成的自由磁性層；一個與所述自由磁性層重疊的非磁性中間層；以及一個與所述非磁性中間層重疊並由軟磁材料製成的牽制磁性層；其中所述自由磁性層的磁化角和所述牽制磁性層的磁化角相對於磁軌軌芯寬度方向被設定得使根據自旋閥磁阻效應(由所述自由磁性層和所述牽制磁性層之間的相對角度變化引起)與各向異性磁阻效應(由所述自由磁性層磁化和流過所述自由磁性層的電流之間的相對角度變化引起)之總和而得出的電阻-磁場曲線變為線性；以及(b)一個磁記錄介質，安放在所述自旋閥磁阻頭的對面。
15.一種製造自旋閥磁阻頭的方法，包括的步驟為按前向順序或反向順序形成一個用軟磁材料製成的自由磁性層，一個用非磁性材料製成的中間層，一個用軟磁材料製成的牽制磁性層；其中所述自由磁性層的磁化角和所述牽制磁性層的磁化角相對於磁軌軌芯寬度方向被調整到這樣的數值，使根據自旋閥磁阻效應(由所述自由磁性層如所述牽制磁性層之間的相對角度變化引起)與各向異性磁阻效應(由所述自由磁性層磁化和流過所述自由磁性層的電流之間的相對角度變化引起)之總和而得出的電阻-磁場曲線變為線性。
16.根據權利要求15所述的製造自旋閥磁阻頭的方法，還包括形成一個與所述牽制磁性層重疊的反磁性層的步驟。
17.根據權利要求15所述的製造自旋閥磁阻頭的方法，其中所述牽制磁性層的磁化方向從垂直方向相對於所述磁軌軌芯寬度方向傾斜。
18.根據權利要求15所述的製造自旋閥磁阻頭的方法，其中確定所述牽制磁性層的磁化角通過在形成所述牽制磁性層或所述僅鐵磁層時加上一個外磁場來執行。
19.根據權利要求18所述的製造自旋閥磁阻頭的方法，其中所述外磁場的強度被設置得至少大於所述牽制磁性層的矯頑磁力或各向異性磁場。
20.根據權利要求15所述的製造自旋閥磁阻頭的方法，其中確定所述牽制磁性層的磁化角是通過在所述牽制磁性層或所述反鐵磁層形成之後將一個磁場加到所述牽制磁性層或所述反鐵磁層上同時以一個第一溫度加熱來執行的。
21.根據權利要求20所述的製造自旋閥磁阻頭的方法，其中所述第一溫度至少是所述反鐵磁層的阻塞溫度。
22.根據權利要求20所述的製造自旋閥磁阻頭的方法，其中所述外磁場的強度被設定得至少大於所述牽制磁性層的矯頑磁力或各向異性磁場。
全文摘要
在一種自旋閥磁阻頭中,包括一個用軟磁材料製成的自由磁性層,一個與自由磁性層重疊的非磁性中間層,以及一個與非磁性中間層重疊並由軟磁材料製成的牽制磁性層;自由磁性層和牽制磁性層的磁化角相對於磁軌軟芯寬度方向被設定得使電阻－磁場曲線變為線性,從而能夠改善重放輸出的對稱性。
文檔編號G11B5/016GK1177795SQ9711748
公開日1998年4月1日 申請日期1997年8月20日 優先權日1996年9月20日
發明者山田健一郎 申請人:富士通株式會社