屏蔽式磁性隧道結磁阻讀出磁頭的製作方法

2023-06-08 07:38:41

專利名稱：屏蔽式磁性隧道結磁阻讀出磁頭的製作方法
本申請涉及同時提出的兩個申請。一個申請的編號為08/957699，標題為「MAGNETIC TUNNEL JUNCTION MAGNETORESISTIVEREAD HEAD WITH SENSING LAYER AS FLUX GUIDE」(『具有用作導引磁通的敏感層的磁性隧道結磁阻讀出磁頭』)，另一個申請的編號為08/957788，標題為「MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONMAGNETORESISTIVE READ HEAD WITH SENSING LAYER ASREAR FLUX GUIDE」(『具有用作引導後方磁通的敏感層的磁性隧道結磁阻讀出磁頭』)。
本發明涉及磁性隧道結(MTJ)設備，特別是涉及用作供讀取磁記錄式數據用的磁阻(MR)磁頭的MTJ設備。
一個磁性隧道結設備由被一個薄的絕緣隧道勢壘層分隔開的兩個鐵磁體層構成，且以自旋極化電子隧道現象為基礎。鐵磁體層之一在外加磁場的一個方向上有比另一鐵磁體層高的(典型地說是由其較高的磁矯頑力引起的)飽和磁場。該絕緣隧道勢壘層足夠地薄，使得在鐵磁體層之間存在著量子力學隧道。隧道現象是決定於電子自旋的，使得MTJ的磁響應成為兩個鐵磁體層的相對取向和自旋極化的函數。
MTJ設備已被推薦為主要用作固態存儲器的存儲單元。MTJ存儲單元的狀態由讀出電流從一個鐵磁體層到另一個鐵磁體層垂直地通過MTJ時測量MTJ的電阻來決定。電荷載流子通過絕緣隧道勢壘層的隧道現象的概率取決於兩個鐵磁體層的磁矩(磁化方向)的相對取向。隧道電流是被自旋極化的，這意味著從一個鐵磁體層(例如，其磁矩是固定的或防止轉動的層)通過的電流，主要由一種自旋類型的(順時針自旋或逆時針自旋，取決於鐵磁體層的磁矩的方向)的電子組成。隧道電流的自旋極化的程度由在鐵磁體層和隧道勢壘層的交界處組成鐵磁體層的磁性材料的電子能帶構造決定。第1鐵磁體層例如用作自旋濾波器。電荷載流子形成隧道的概率取決於和在第2鐵磁體層中電子電流的自旋極化相同的自旋極化的電子狀態的可利用性。通常，當第2鐵磁體層的磁矩和第1鐵磁體層的磁矩平行的時候，將比第2鐵磁體層的磁矩被排列為和第1鐵磁體層的磁矩反向平行時有更多的可用的電子狀態。因此，在兩個層的磁矩平行時，電荷載流子形成隧道的概率最高，而當兩個磁矩反向平行時最低。在磁矩既不是平行也不是反向平行時，形成隧道的概率取中間值。因此MTJ存儲單元的電阻取決於兩個鐵磁體層中的電流的自旋極化和電子狀態。結果是，其磁化方向是不固定的鐵磁體層的兩個可能的方向獨特地定義存儲單元的兩個可能的位狀態(0或1)。
一個磁阻(MR)傳感器通過由磁性材料製作的磁感元件的電阻的變化，作為正被敏感元件感知的磁通量的強度和方向的函數，檢測磁場信號。現有的MR傳感器，諸如那些在磁記錄式磁碟驅動器中用作供讀取數據用的MR讀出磁頭，它的工作是以磁性材料(典型的是坡莫合金(Ni81Fe19)的各向異性磁阻(AMR)效應為基礎的。一個讀取元件電阻的組成部分，隨著讀取元件中的磁化方向和通過讀取元件的讀出電流的方向之間的角度餘弦的平方而變化。由於來自已進行了記錄的磁性媒體(信號場)的外部磁場，在讀取元件中，在磁化方向上將引起一個變化，而這一變化又反過來在讀取元件的電阻中產生一個變化，以及在已讀出的電流或電壓中的相應的變化，故已記錄的數據可以從一個磁性媒體(諸如在磁碟驅動器中的磁碟)中讀出來。在現有的MR讀出磁頭中，與MTJ設備比較，讀出電流是在平行於讀出磁頭的鐵磁體層的方向上。
在美國專利5390061中，講述了將一種MTJ設備作為供磁性記錄用的磁阻讀出磁頭的應用。在該MTJ讀出磁頭中，供往MTJ設備的讀出電流，是利用位於MTJ設備的上邊和下邊的薄的金屬層式的電極加上去的。該電極一般具有幾百埃的厚度。一般磁阻(MR)讀取元件被定位於厚的高導磁率磁性層或屏蔽之間，上述屏蔽，就如′061專利中的

圖10中所示，利用有足夠厚度的非導電性層使上述電極被電絕緣。對於高的表面密度磁性記錄應用，隨著存儲信息的磁性位的尺寸的減小，MR讀出磁頭和有關部件的尺寸必須減小。特別是在磁屏蔽之間(MR讀出磁頭一般位於它們之間)的空間的厚度，必須減小厚度，以使得MR讀出磁頭能夠讀出具有位長度已經減小了的磁性位。MTJ設備和電引線及絕緣層的厚度不可能作得無限小，因此，最大可能的表面密度最終將達到一個極限值。於1996年11月27號提出申請的IBM公司的編號為08/757422的專利申請講述了一個具有縱向偏置的MTJ MR讀出磁頭，其中，MTJ設備具有連接到MR讀出電路上去的電引線。該引線和絕緣間隙材料接觸，而間隙材料和磁屏蔽接觸，使該引線與屏蔽之間電絕緣。
人們需要的是一個具有包括其讀出引線的MTJ設備的讀出磁頭，該磁頭可以被作得足夠地薄以便藉助於減小磁屏蔽之間的空間來實現高表面密度。
本發明提供了一個用於磁性記錄系統的MTJ MR讀出磁頭，其中，MTJ位於分隔開來的磁屏蔽之間。允許磁頭從磁性記錄媒體中檢測個別磁躍遷而不受相鄰躍遷影響的該磁屏蔽還起著把磁頭連接到讀出電路上去的電引線的作用。導電性隔離層被定位於MTJ的頂部和底部並把MTJ連接到屏蔽上。隔離層的厚度被選擇用來優化屏蔽之間的空間，它是控制可以從磁性記錄媒體中讀取的數據的線性解析度的參數。如果屏蔽之間的空間太小，為了減小屏蔽間的電短路的可能性，每一屏蔽都可以有一個支座區，同時具有定位於兩個支座之間的MTJ，使得在支座區外邊的屏蔽之間的間隔大於支座區之內的間隔。
為了更為完整了解本發明的性質和優點，在參照附圖的同時，參考下述詳細的說明。
圖1是供與本發明的凹進式MTJ MR讀出磁頭一起使用的現有的磁性記錄磁碟驅動器的簡化框圖。
圖2是圖1的驅動器拿掉機殼的頂視圖。
圖3是現有的集成化電感式寫入磁頭/具有定位於屏蔽之間並與供說明本發明的MTJ MR讀出磁頭應該定位於何處的電感式磁頭相鄰的MR讀出磁頭的MR讀出磁頭的縱剖面圖。
圖4A是通過本發明的MTJ MR讀出磁頭的MTJ剖開的局部剖面圖，用於說明流過用作電引線且垂直地通過MTJ的磁屏蔽的讀出電流的方向。
圖4B是本發明的MTJ MR讀出磁頭的局部剖面圖，用於說明MTJ和其他層相對於磁頭的讀出端的位置。
圖5是說明本發明的MTJ MR讀出磁頭的一個實施例的局部剖面圖，其中，MTJ被定位於磁屏蔽的支座區之間。
圖6A-6E說明了本發明的製造MTJ MR讀出磁頭的步驟。
參照圖1。圖中示出了應用一個MR傳感器的現有的磁碟驅動器的剖面圖。該磁碟驅動器包括一個基座10，在其上邊固定有一個磁碟驅動電機12和一個傳動器14，和一個罩子11。基座10和罩子11給驅動器提供了一個基本上已密封起來的機殼。一般在基座10和罩子11之間有一個墊圈13和一個小的通氣口(未畫出)，以平衡磁碟驅動器內部和外部環境之間的壓力。磁性記錄磁碟16通過電線插孔18連接到驅動電機12上，以便利用驅動電機12使它轉動。磁碟16的表面上有一層薄的潤滑薄膜50。一個讀/寫磁頭或者變換器25形成在磁頭支架(例如空氣軸承滑動器20)的尾端。就如將在圖3中說明的那樣，變換器25是一由電感式寫入磁頭部分和MR讀出磁頭部分構成的讀/寫磁頭。滑動器20利用一個剛性的臂22和一個懸掛物24連接到傳動器14上。懸掛物24提供一個偏置力，把滑動器20推到記錄磁碟16的表面上。在磁碟驅動器工作期間，驅動電機12以恆定的速度轉動磁碟16，而且一般講是一線性或旋轉話音線圈電機的傳動器14，通常輻射狀地移動滑動器20使之穿過磁碟16的表面，使得讀/寫磁頭25可以訪問磁碟16上邊的不同的磁軌。
圖2是一拿掉罩子11的磁碟驅動器的內部的頂視圖，該圖並且更好的說明對滑動器20提供一個力以把磁碟16往前推的懸掛物24。該懸掛物可以是現有類型的懸掛物，諸如IBM公司在美國專利4167765中所述的那種人們所熟悉的Watrous懸掛物。這種類型的懸掛物還提供一種滑動器的萬向接頭式的附加物，它使得滑動器在它被放到空氣軸承上的時候可以傾斜和旋轉。用變換器25從磁碟16上檢測到的數據，藉助於定位在臂22上的集成電路晶片15中的信號放大和處理電路被加工成數據回讀信號。來自變換器25的信號通過柔軟電纜17被送往晶片15，晶片15把其輸出信號通過電纜19送往磁碟驅動電子線路(未畫出)。
圖3是由MR讀出磁頭部分和電感式寫入磁頭組成的集成化讀/寫磁頭25的剖面圖。磁頭25重疊起來以形成磁頭支架的讀出表面，諸如一種空氣軸承滑動器型磁頭支架的空氣軸承表面(ABS)。讀出表面或ABS就如上邊討論過的那樣利用空氣軸承與旋轉磁碟16(圖1)的表面分隔開來。讀出磁頭包括一個夾在第1和第2間隙層G1和G2之間的MR傳感器40,G1和G2又依次被夾在第1和第2磁屏蔽層S1和S2之間。從MR傳感器40上引出來以和晶片15(圖2)中的讀出電路連接的電極(未畫出)與傳感器40接觸並被定位於MR傳感器40和間隙層G1、G2之間。因此，間隙層G1、G2與從屏蔽S1、S2引出來電引線絕緣。在現有的磁碟驅動器中，MR傳感器40是一AMR傳感器。寫入磁頭包括一個線圈層C和被夾在絕緣層I1和I3之間的絕緣層I2,I1和I3又夾在第1和第2磁極片P1和P2之間。間隙層G3被夾在在磁極頂端上鄰近ABS的第1和第2磁極片P1、P2之間，為的是提供一個磁間隙。在寫入期間信號電流通過線圈層C傳導，而在第1和第2磁極層P1、P2中感應出磁通，使得磁通在ABS上穗狀地穿過磁極頂端。在寫入期間，磁通使旋轉磁碟16上邊的圓形磁軌磁化。在讀出操作期間，旋轉磁碟16上邊的已磁化區把磁通引進到讀出磁頭的MR傳感器40中去，使得MR傳感器40中電阻變化。這些電阻變化，用檢測MR傳感器40上的電壓變化的辦法進行檢測。用晶片15(圖2)和驅動器電子線路對該電壓變化進行處理並變換成用戶數據。示於圖3的組合式磁頭25是一個『結合式』磁頭，在該磁頭中，讀出磁頭的第2屏蔽層S2被用作寫入磁頭的第1磁極片P1。在一個背負式磁頭(未畫出)中，第2屏蔽層S2和第1磁極片P1是分開的層。
對具有AMR讀出磁頭的典型的磁性記錄磁碟驅動器的上述敘述以及附圖1～3僅僅為了進行說明。磁碟驅動器可以包括許多的磁碟和傳動器，而且每一傳動器都可以支持許多滑動器。此外，不用空氣軸承滑動器而代之以用這樣的磁頭支架，該支架例如象在液體軸承和其他接觸和近乎接觸記錄磁碟驅動器中那樣，保持磁頭與磁碟接觸或近乎接觸。
優選實施例本發明是一種具有MTJ傳感器的MR讀出磁頭，用於取代圖3的讀/寫磁頭25中的MR傳感器40。
圖4A是本發明的一個實施例的MTJ MR讀出磁頭的剖面圖，該剖面是一平面，其邊沿在圖3中用線42表示，而且是從磁碟表面上看的視圖。因此，圖4A的紙面是一平行於ABS的平面而且基本上通過有源讀出區，即通過MTJ MR讀出磁頭的隧道結，以展現出形成磁頭的那些層。圖4B是一垂直於圖4A的視圖的剖面圖，且在右邊具有讀出表面200或ABS。
參看圖4A-4B。MTJ MR讀出磁頭包括一個直接形成於第1磁屏蔽S1上的導電性隔離層102，在下邊且和第2磁屏蔽S2直接接觸的導電性隔離層104，和作為一個多層疊層形成於導電性隔離層102、104之間的MTJ 100。現在磁屏蔽S1、S2既用作磁屏蔽又用作用於把MTJ 100連接到讀出電路上去的導電性引線。這種情況示於圖4A，用箭頭表示電流流過第1屏蔽S1的方向，垂直地通過隔離層102、MTJ 100、隔離層104並通過第2屏蔽S2輸出。
MTJ 100包括一個第1電極多層疊層110，一個絕緣隧道勢壘層120，和一個頂部電極疊層130。每一電極包括一個直接與隧道勢壘層120接觸的鐵磁體層，即鐵磁體層118和132。
形成在隔離層102上邊的基底電極層疊層110包括一個在隔離層102上邊的種子(seed)層或者『模板(template)』層112，和一個形成在上邊且與在下邊的鐵磁體層116形成為交換耦合式的『固定』的鐵磁體層118。該鐵磁體層118被稱作固定層，因為其磁矩或者磁化方向，在感興趣的範圍內加上磁場時保持為不轉動。頂部疊層130包括一個『自由』或『讀出』鐵磁體層132，和形成在讀出層132上邊的保護性的層或覆蓋層134。讀出鐵磁體層132被非交換耦合到一個鐵磁體層上，因此其磁化方向在加上所感興趣的範圍的磁場時是可自由旋轉的。讀出鐵磁體層132被製造為使得把它的磁矩或磁化方向(用箭頭133表示)通常定向為與ABS平行(ABS是一平行於圖4A的紙面)，而且，在未加磁場時通常垂直於固定鐵磁體層118的磁化方向。在電極疊層110中，正好位於隧道勢壘層120下邊的固定鐵磁體層118，其磁化方向已藉助於與緊下邊的反鐵磁體層116進行界面交換耦合進行固定，反鐵磁體層116也形成為底部電極疊層110的一部分。固定鐵磁體層118的磁化方向通常被定向為與ABS垂直，即在圖4A中從紙面中出來或者進入紙面(如箭尾119所示)。
在圖4A中，還示出了一個用於對讀出鐵磁體層132的磁化進行軸向偏置的偏置鐵磁體層150，一個使讀出鐵磁體層132和偏置層150分開並絕緣的絕緣層160，和MTJ 100的其他的層。為了便於說明，在圖4B中沒有畫出偏置鐵磁體層150。偏置鐵磁體層150是一種硬磁材料，例如CoPtCr合金，在未加磁場的情況下，其磁矩(用箭頭151表示)被排列在與讀出鐵磁體層132的磁矩133相同的方向上。絕緣層160(理想的是氧化鋁(Al2O3)或二氧化矽(SiO2)，具有足夠使偏置鐵磁體層150與MTJ 100和隔離層102、104電絕緣的厚度，但是該厚度又足夠地薄使得可以與讀出鐵磁體層132進行靜磁耦合(用虛線箭頭153表示)。偏置鐵磁體層150的乘積M*t(其中，M是在鐵磁體層中材料的單位面積的磁矩，t是鐵磁體層的厚度)必須大於或等於讀出鐵磁體層132的M*t，以確保穩定的縱向偏置。由於一般被用在讀出鐵磁體層132中的Ni(100-X)-Fe(X)(X近似於19)大約是適合用作偏置鐵磁體層150的典型的硬磁材料(諸如Co75Pt13Cr12)的2倍，故偏置鐵磁體層150的厚度至少是讀出鐵磁體層132的近乎兩倍。
方向為從製作第1屏蔽S1的導電性材料到第1隔離層102的讀出電流I，垂直通過反鐵磁體層116，固定鐵磁體層118，隧道勢壘層120和讀出鐵磁體層132後，到達第2隔離層104並通過第2屏蔽S2輸出。如上所述，通過隧道勢壘層120的隧道電流的量，是與隧道勢壘層120相鄰和相接觸的固定和讀出鐵磁體層118、132的相對磁化方向的函數。來自記錄下來的數據的磁場使得讀出鐵磁體層132的磁化方向旋轉偏離開方向133，即從圖4A的紙面進入或出來。這將改變鐵磁體層118、132的磁矩的相對取向，因此將改變隧道電流的值，這種改變反映為MTJ 100的電阻的改變。電阻的這一改變用磁碟驅動器電子線路進行檢測並被加工成來自磁碟的數據回讀。通過屏蔽S1、S2的讀出電流被電絕緣層160阻擋住不能到達偏置鐵磁體層150，電絕緣層160也使偏置鐵磁體層150與MTJ 100及其它的隔離層102、104絕緣。
現在說明供MTJ 100(圖4A-4B)用的有代表性的材料的配置。MTJ100的所有的層都在加上與襯底平行的磁場的情況下生長。該磁場用於給所有的鐵磁體層的易磁化的軸定向。一個5nm的Ta種子層(未畫出)首先形成於一個10-50nm的用作隔離層102的Culayer上邊。合適的隔離層材料是如下這些材料它們是導電性的，但是因為該隔離層是很薄的，故對導電率的值沒有嚴格的要求。因此導電率比Cu小得多的可以採用，如果它們能形成具有恰當的平滑度的適當的層，以使在這些層上邊依次生長組成MTJ設備100的各種薄層。一個對示於圖4A和4B的實施例的附加的要求是，在工作的時候，作為在ABS上偶然地接觸到磁碟上的結果，隔離層材料並不會立刻擦到空氣軸承表面上。如果MTJ設備和隔離層從ABS上如下述那樣地凹進去，使得隔離層絕不可能與MTJ MR磁頭將要讀出的磁碟接觸，則無上述要求。種子層是由一種促進面心立方(fcc)Ni81Fe19模板層112的(111)生長的材料組成。模板鐵磁體層112加強了反鐵磁體層116的生長。合適的種子層材料包括諸如Cu和Ta之類的fcc金屬或諸如3-5nmTa/3-5nmCu之類的組合層。MTJ基底電極疊層110由生長在10-20nmCu層102上邊的Ta種子層上邊的4nm Ni81Fe19/10nmFe50Mn50/8nm Ni81Fe19(分別為層112,116,118)的疊層構成。用作襯底的Cu隔離層102直接形成於形成第1屏蔽S1的材料的上邊。其次，隧道勢壘層120由澱積法形成，接著再等離子體氧化一個0.5-2nm Al層。這將形成Al2O3絕緣隧道勢壘層120。頂部電極疊層130是一個5nm Ni-Fe/10nmTa疊層(分別為層132,134)。Ta層134在加工期間用作供MTJ 100的防腐蝕用的覆蓋層。頂部電極疊層130通過一個用作隔離層104的20nmAu層進行接觸。
重要的是在底部電極疊層110中的那些層應當平滑和Al2O3絕緣隧道勢壘層120沒有使結電短路的針孔。例如，用熟悉的濺射技術在金屬多層疊層中產生好的巨大的磁阻效應是能夠勝任的。
一種替代的讀出鐵磁體層132可以在讀出鐵磁體層132和隧道勢壘層120之間的界面上由薄的Co或Co(100-X)Fe(X)(X近似為70)或Ni(100-X)Fe(X)(X近似為60)層組成，層132整體具有低的磁致伸縮(例如Ni(100-X)Fe(X)(X近似為19))。具有一個薄的Co或Co(100-X)Fe(X)(X近似為70)或Ni(100-X)Fe(X)(X近似為60)的界面層的這種類型的讀出層的淨磁致伸縮，採用稍微改變層132整體的組分的辦法，被安排為具有接近於0的值。一個替代的固定鐵磁體層118可以在具有隧道勢壘層120的界面上，主要地由具有一個薄的Co或Co(100-X)Fe(X)(X近似為70)或Ni(100-X)Fe(X)(X近似為60)層的體Ni(100-X)Fe(X)(X近似為19)層構成。用Co或者具有最高極化率的Ni(100-X)Fe(X)(X近似為60)或者Co(100-X)Fe(X)合金(X近似為70)可以得到最大的信號。界面層最好是約1-2nm厚。組合層的淨磁致伸縮採用使組分進行小的變化的辦法，被安排為接近於0。如果層118的整體是Ni-Fe，那麼組分就是Ni81Fe19，對於該組分，體Ni-Fe具有0磁致伸縮。
Fe-Mn反鐵磁體層116可以用Ni-Mn層或其他合適的反鐵磁體層代替，這些層交換偏置在固定層118中的鐵磁體材料，且具有實質上小於Al2O3勢壘層120的電阻的電阻。此外，雖然在優選實施例中，固定鐵磁體層的磁矩已被界面上的交換耦合用一個反鐵磁體層固定，該固定鐵磁體層可以用從磁性上說『硬的』高矯頑力材料形成，以避免需要一個反鐵磁體層。因此，硬固定鐵磁體層可以由各種鐵磁體材料，諸如Co和一個或多個元素的合金，包括Co-Pt-Cr合金，Co-Cr-Ta合金，Co-Cr合金，CoSm合金，Co-Re合金，Co-Ru合金和Co-Ni-X(X=Pt,Pd，或Cr)合金，以及諸如Co-Ni-Cr-Pt和Co-Pt-Cr-B之類的各種四元素合金形成。
雖然已經說明並示於圖4A-4B的MTJ設備在MTJ 100的底部上邊具有固定鐵磁體層，該設備也可以用首先澱積讀出鐵磁體層，接著澱積隧道勢壘層，然後澱積固定鐵磁體層和反鐵磁體層的辦法形成。於是，這樣一種MTJ設備將具有本質上與示於圖4A-4B的MTJ 100顛倒過來的層。
為了實現高表面密度(磁碟表面的單位面積所存儲的數據量)，MTJ100及其有關的隔離層102、104，如圖4A-4B所示，被直接地放置在磁屏蔽S1和S2之間，而不需要用於隔離的電引線層和把引線與屏蔽分離開來的絕緣間隙材料。由相對厚的高導磁率磁性層構成的磁屏蔽，允許MR傳感器檢測單獨的磁躍遷而不受相鄰躍遷的影響。因此，MR傳感器可以用比其它可能的傳感器較小的位長度檢測磁位。MR傳感器的解析度由磁屏蔽S1、S2(參看圖4B)之間的間隔和讀出表面200與磁碟上邊的磁膜之間的距離S決定。例如，在具有傳感器到磁膜的間隔為0.02微米的磁碟驅動器中，為了檢測被隔開的每英寸125000位線性磁位密度(等效於每微米5個躍遷)，在屏蔽層S之間的間隔應為～0.2微米。
在本發明中，屏蔽S1、S2必須是導電性的而且應具有適當高的導磁率。該屏蔽可以用各種NiFeX合金(其中X是Ta,Rh,Pt或Nb)或CoZrNb合金或者矽鋁鐵磁(FeSiAl)合金形成。如圖4B所示，本發明允許採用被用來電絕緣傳感器的絕緣間隙層G1和G2(圖3)的組合厚度使間隔S減小厚度。間隔S當然可以採用減小隔離層102和104的厚度的辦法在厚度上進一步減小。雖然在原理上說任何與MTJ設備串聯的電阻都將減小MTJ設備的信號的幅度，但是，本發明的MTJ MR讀出磁頭中的隔離層102和104的電阻是可以忽略的。
在示於圖3的現有技術中，如果間隙層G1和G2作得太薄，則就有可能使MR傳感器40的引線與屏蔽S1及S2電短路。在本發明的MTJMR讀出磁頭中，這一問題已被消除，因為屏蔽現在起著把MTJ連接到讀出電路上去的電引線的作用。
在本發明的設備中，在屏蔽S1和S2之間的間隔的減小將導致MTJMR磁頭的線性解析度的相應的增加。這一點通過下邊的例子就可明白。典型的設備100的厚度是～66nm(由5nm Ta+15nm Pt+4nm Ni81Fe19+10nm Fe50Mn50+6nmNi81Fe19+1nmAl2O3+5nm Ni81Fe19+20nmTa組成)。一般絕緣間隙層G1和G2的最小厚度每個可以是～20nm。因此，如果MTJ設備100用在應用間隙層G1、G2的構造中，在S1和S2之間的間隔是～106nm。這將導致相應於每英存儲～250000個躍遷(假定位長度僅僅比間隙間隔稍小)的線性解析度。當隔離層102、104被直接地連接到相應的屏蔽S1、S2上去時，間隙層G1和G2將被去掉，在屏蔽之間的間隔件被減小到～66nm。因此，MR磁頭的線性解析度將增加到每英寸～400000個躍遷。此外，如果隔離層102和104的厚度每個減小到～7.5nm，採用在其他方面相同的MTJ MR設備100，達到每英寸～500000個躍遷這一更高的解析度是可能的。因此，採用使用隔離層102、104並選擇器厚度的辦法，間隔距離S可以優化為把MTJ MR讀出磁頭設計為以所希望的線性解析度工作。
本發明的MTJ MR讀出磁頭適合於超密磁記錄應用。應用由2nm厚的Cu隔離層102和104,5nm厚的IrMn交換偏置層116,2.5nm厚的Co固定鐵磁體層118,1nm厚的Al2O3隧道勢壘層120和3nm厚的自由Ni81Fe19自由鐵磁體層組成的構造，可以形成組合厚度僅僅13.5nm厚的MTJ設備和隔離層。因此，每英寸超過150000個躍遷的線性密度是可能的。
在本發明中，自由鐵磁體層132可以不直接和磁屏蔽S2接觸，因為該層的磁矩接著將通過交換耦合固定到屏蔽的磁矩上，因此，將不可能最佳地響應來自磁碟媒體的磁躍遷的磁通。同樣，最好是反鐵磁體交換偏置層116也不和屏蔽S1直接接觸，因為屏蔽的磁學性質將被改變。特別是屏蔽的導磁率在反鐵磁體層的區域中將被減少。因此，隔離層102、104分別提供與層116、132的電連接，同時使這些層與屏蔽S1、S2絕緣。但是，在本發明中，如果用合適的材料製作且形成合適的厚度的話，模板層112與反鐵磁體層116的接觸和覆蓋層134與自由鐵磁體層132的接觸是可以用作隔離層的。例如，隔離層102和模板112都可以用具有組合厚度為5-10nm的Ta形成。同樣，層134和104也都可以用具有組合厚度為5-10nm的Ta形成。在本發明的設備中，MTJ設備的組合厚度和隔離層102,104的厚度決定了間隔距離s。雖然隨著屏蔽的間隔減小，本發明的設備消除了在電引線和屏蔽之間電短路的可能性，在屏蔽之間的直接地電短路的概率卻將增加。就象圖5所示那樣，採用在遠離MTJ設備的區域中增加屏蔽之間的間隔辦法，可使上述情況緩和。在圖5中，每一屏蔽S1、S2，在形成MTJ 100的區域中都有各自的支座161、163，使得在該區域中間隔s被製作的比形成MTJ 100設備的區域之外的屏蔽之間的間隔s′小。這樣，較大的距離s′將減小在兩個屏蔽S1和S2之間電短路的可能性。
本發明的MTJ MR讀出磁頭的其它優點是現在也用作MTJ設備的電引線的屏蔽的電阻，由於屏蔽很厚，故很小。當MTJ設備的獨立的電引線被放置在屏蔽和MTJ之間的時候，這些引線必須形成很薄的導電性層，而且要用另外的絕緣層把他們和屏蔽分隔開來。對於高密度記錄應用，限制在MTJ設備的近旁的電引線的厚度的屏蔽間的間隔s必須保持很小。因此，在這些電引線間將可能有值得注意的電壓降。由於這一電壓降與所希望的信號串聯，即電壓降加在MTJ設備上，所以在除此之外的相同條件下輸出信號減小。在本發明的MTJ設備中，加在現在用作電引線的屏蔽上的電壓降是小的。
本發明的MTJ MR讀出磁頭的製造工藝參照圖6A-6B，說明形成本發明的MTJ MR讀出磁頭的工藝。將被說明的形成MTJ MR讀出磁頭的工藝與示於圖6的工藝是類似的，在圖6的工藝中在磁屏蔽之間的間隔在遠離MTJ設備的區域中是比較大的。為了便於圖示和說明，將不對示於圖4A的縱向偏置區150的形成進行說明。
就象示於圖6A的那樣，工藝開始先澱積在屏蔽S1上邊的隔離層102,MTJ設備100和頂部隔離層104。隔離層材料102可以是各種導電性材料，諸如Ta,Al,Cu,Au,W，和Pt等，典型厚度在10到20nm的範圍內。反鐵磁體層116可以從許多熟悉的材料，諸如Fe-Mn,Ni-Mn,Pt-Mn,Ir-Mn和Pd-Mn中選擇。反鐵磁體層116的典型厚度是在7到30nm的範圍內。固定鐵磁體層118最好是一種Ni-Fe合金或Ni-Fe合金與Co薄膜的雙層。Ni-Fe合金層的典型的厚度是2到10nm而Co層的典型厚度是0.2到2nm。鋁和隧道勢壘氧化物層120的厚度一般是0.5到1.5nm的範圍。自由鐵磁體層132一般是一Ni-Fe合金或者Co和Ni-Fe合金的雙層，對於Ni-Fe合金，厚度是10到20nm，對於Co，厚度是0.2到2nm。隔離層104用對隔離102所說明過的同樣的材料和厚度形成。
在通常用離子束或者RF或DC磁控管濺射法澱積上這些層之後，用示於圖6B的光刻膠230對這些層進行光刻以形成圖形。接著，如圖6C所示，進行離子刻蝕去掉未被光刻膠保護的材料。離子刻蝕步驟被設計為選擇合適的條件，諸如離子刻蝕時間，使得不僅在沒有光刻膠230的那些地方的層102,100和104被去掉，還從屏蔽S1的底部的頂部表面上去掉到深度d為止的材料。光刻膠層230一般是具有側壁腐蝕的雙層光刻膠。在圖6C的離子刻蝕步驟之後，如圖6D所示，採用用離子束或RF濺射法澱積一個一般是二氧化鋁或SiO2的絕緣材料層250，其厚度至少大於d與隔離層102,MTJ設備100和隔離層104的厚度之和。在澱積絕緣層250之後，剝離光刻膠層230，去掉澱積在隔離層104上邊的絕緣材料250。最後，如圖6E所示，用離子束澱積或者RF或DC磁控管濺射法，形成頂部屏蔽層S2。
如圖4A所示，通過在區域150中結合硬磁材料，也可以將上述加工過程用於提供軸向偏置或使自由鐵磁體層132穩定化。
隔離層、自由和固定鐵磁體層和反鐵磁體層的總的厚度可在50-80nm的範圍內。較低的屏蔽S1可以過刻蝕達厚度d～30nm，在圖6D的步驟中澱積的絕緣層的厚度可以是～120nm。因此，應用在圖6A-6E中所說明的製造順序的本例將導致得到一個MTJ MR讀出磁頭，其解析度間隙s為～50-80nm，但是屏蔽間間隔s′將離開MTJ傳感器～120nm而不是50-80nm。由於在兩個屏蔽之間具有中心定位於該間隙中(即，把層132定位在距離s/2處)的自由鐵磁體層132是有益的，故這是用調整隔離層102和104厚度，S1的過刻蝕厚度和在圖6D的步驟中澱積的絕緣層250的厚度的辦法完成的。
在MTJ傳感器的定義和製造方法之後還必須使固定鐵樣體層118的磁化方向(磁矩)調準到適當的方向上。如果Fe-Mn被用作用來和固定鐵磁體層118進行交換耦合的反鐵磁體層116，那麼它澱積就成為反鐵磁體。但是磁化必須重新進行調準，使得它可以在適當的方向上交換耦合固定鐵磁體層118。該構造被放到一個退火烘箱中，溫度被升高到高於Fe-Mn的成形(blocking)溫度的約180℃。在這一溫度下，Fe-Mn層不再用固定鐵磁體層118發生一個交換各向異性。採用在磁場中冷卻一對層116和118的辦法，產生了鐵磁體層118的交換各向異性。固定鐵磁體層118的磁化方向將沿著外加磁場的方向。因此，就如在圖4A中用箭頭119所表示的那樣，在退火烘箱中，外加磁場將使固定鐵磁體層118的磁矩被固定為沿著需要的方向垂直於ABS。這是在存在有被外加磁場在需要的方向上磁化了的鐵磁體層118的情況下冷卻Fe-Mn層的結果。因此，在低於Fe-Mn的成形溫度的溫度下，在存在有來自已進行了記錄的媒體的外加磁場的情況下，固定鐵磁體層118的磁化實質上將不會旋轉。
雖然在圖5中所說明的本發明的實施例具有和MTJ設備100的面積相同的面積且與MTJ設備匹配的支座161、163，但這不是必不可少的需要。在一個替代性的實施例中，支座的面積可以作得比MTJ設備的面積更大，而且，MTJ設備也不必把中心定位於支座之內，儘管MTJ的邊界必須處於支座的面積之內。與此類似，僅僅需要有一個位於MTJ設備的不論哪一側的支座以便增加屏蔽S1、S2離開MTJ設備的間隔。這樣的一個僅僅具有上部支座的替代實施例可以用圖6A-6E中所說明的類似的製造工藝來形成。但是MTJ設備100和隔離層102、104不能象圖6C中所示的那樣過刻蝕，而是要僅僅刻蝕到屏蔽S1的表面為止。因此，不需要形成下部支座。除此之外的其餘的工藝是一樣的。僅僅形成下部的支座的一個實施例可用示於圖6A-6E的一套類似製造步驟製造，去除了在步驟圖6D之後，在除去了光刻膠230之後，所得到的設備表面要用化學機械拋光的辦法平面化之外。接著，在平面化後的表面上邊直接澱積屏蔽S2，且不形成上部支座。
雖然藉助於參照實施例圖示並詳細說明了本發明，那些本專業的技術人員應當明白，在不偏離本發明的宗旨的範圍內，在形式和細節上將會有很多變化。因此，所公開的發明將僅僅被看做是解說性的，而範圍的限制僅僅在後附權利要求中規定。
權利要求
1.一種用來在連接到讀出電路上時，讀出以磁性方式記錄在媒體上的數據的磁性隧道結磁阻讀出磁頭，其特徵是具有第1導電性磁屏蔽；位於第1磁屏蔽上邊的第1導電性隔離層；位於第1隔離層上邊的磁性隧道結，包括固定鐵磁體層，其磁化方向被固定為沿著優化方向，使得在加上來自媒體的磁場的情況下基本上不旋轉；讀出鐵磁體層，其磁化方向一般被定向為在不存在外加磁場時，垂直於固定鐵磁體層的磁化方向，在存在來自媒體的外加磁場時，自由旋轉；絕緣隧道勢壘層，位於固定和讀出鐵磁體層之間並和它們接觸，用於允許在通常為垂直於固定和讀出鐵磁體層的方向上形成隧道電流；第2導電性隔離層，其中磁性隧道被定位於第1和第2隔離層之間並和他們接觸；第2導電性磁屏蔽，位於第2隔離層上邊，以提供一個從第1屏蔽到第1隔離層並通過磁性隧道結到第2隔離層和第2磁屏蔽的導電性路徑。
2.權利要求1所述的磁頭，其特徵是還具有一個用於對磁性隧道結提供防腐蝕保護的覆蓋層，該覆蓋層位於磁性隧道結和第2隔離層之間。
3.權利要求1所述的磁頭，其特徵是第2隔離層是一層用於對磁性隧道結提供防腐蝕保護的覆蓋層。
4.權利要求1所述的磁頭，其特徵是還具有與固定鐵磁體層接觸的反鐵磁體層，用於採用界面交換耦合的辦法固定固定鐵磁體層的磁化方向。
5.權利要求4所述的磁頭，其特徵是第1隔離層直接形成於第1屏蔽上邊，反鐵磁體層位於第1隔離層和固定鐵磁體層之間，固定鐵磁體層直接形成於反鐵磁體層上邊並和反鐵磁體層接觸。
6.權利要求5所述的磁頭，其特徵是還包括一個模板層，位於第1隔離層的上邊，用於增強反鐵磁體層的形成，而反鐵磁體層直接形成在模板層上邊並與模板層接觸。
7.權利要求5所述的磁頭，其特徵是第1隔離層是一層用於增強反鐵磁體層的形成的模板層，而反鐵磁體層直接形成在模板層上邊並與模板層接觸。
8.權利要求1所述的磁頭，其特徵是還具有偏置鐵磁體層，用於在不存在外加磁場的情況下，把讀出鐵磁體層的磁化方向偏置到通常為垂直於固定鐵磁體層的磁化方向的方向上；電絕緣層，位於偏置和讀出鐵磁體層之間，用於使偏置層與讀出層電絕緣；而且，其特徵是採用一絕緣層使隔離層與偏置層絕緣，以便當在第1和第2屏蔽之間有讀出電流通過時，電流一般垂直穿過磁性隧道結，而不進入偏置層。
9.權利要求1所述的磁頭，其特徵是讀出磁頭是一個集成化讀/寫磁頭的一部分。
10.權利要求1所述的磁頭，其特徵是還具有被連接到第1和第2屏蔽上去的讀出電路。
11.權利要求1所述的磁頭，其特徵是每一第1和第2屏蔽都具有一個支座區，第1隔離層形成在第1屏蔽的支座區上邊，第2隔離層形成在第2隔離層的支座區上邊，使得第1和第2屏蔽之間的間隔在支座區外邊比在支座區內大。
12.權利要求11所述的磁頭，其特徵是每一支座區的面積實質上與第1和第2隔離層的每一個的面積相同。
13.權利要求1所述的磁頭，其特徵是第1和第2屏蔽用由下述一組材料中選出的材料形成，上述一組材料包括NiFeX合金(其中X為Ta,Rh,Pt，或Nb),CoZrNb合金以及FeAlSi合金。
14.權利要求1所述的磁頭，其特徵是磁頭的類型是從磁性記錄磁碟中讀出數據，並且，還包括空氣軸承滑動器，該滑動器具有在正用磁頭從磁碟中讀出數據時面朝磁碟表面的空氣軸承表面ABS，而且尾端表面通常垂直於ABS，另外，該滑動器尾端表面是在其上邊形成第1屏蔽的襯底。
15.一種用於在讀出磁頭已連接到讀出電路上的時候，從磁性記錄磁碟中讀出數據的磁性隧道結磁阻讀出磁頭組合體，其特徵是具有磁頭支架，具有用來面朝磁碟的表面的讀出表面和一般垂直於讀出表面的尾端表面；在磁頭支架的尾端表面上邊的導電性磁屏蔽，用於對讀出電路提供連接用的電引線；在第1屏蔽上邊的第1導電性隔離層；在第1隔離層上邊的磁性隧道結，由下述部分組成一個固定鐵磁體層，位於第1隔離層上邊且使一方向被固定為沿著一個理想的方向，使得在存在有來自磁碟的外加磁場的情況下實質上不旋轉；一個絕緣隧道勢壘層，位於固定鐵磁體層的上邊並和該固定鐵磁體層接觸；一個讀出鐵磁體層，位於隧道勢壘層上邊並和隧道勢壘層接觸，且在不存在外加磁場的情況下，使其磁化方向定位為一般垂直於固定鐵磁體層的磁化方向，而在存在著來自磁碟的外加磁場的情況下，則自由旋轉。位於讀出鐵磁體層上邊的第2導電性隔離層；第2導電性磁屏蔽，位於第2隔離層上邊，用於提供一個從第1屏蔽到第1隔離層並通過磁性隧道結到第2隔離層和第2磁屏蔽的導電性路徑，從而提供一條從第1磁屏蔽到第1隔離層並穿過磁隧道結到達第2隔離層和第2屏蔽的導電性路徑，該路徑具有一個路徑，用於形成一般垂直地穿過隧道勢壘層的隧道電流。
16.權利要求15所述的磁頭組合體，其特徵是還具有一個覆蓋層，用於對磁性隧道結提供防腐蝕保護，該覆蓋層位於讀出鐵磁體層和第2隔離層之間。
17.權利要求15所述的磁頭組合體，其特徵是第2隔離層是一個用於對磁性隧道結提供防腐蝕保護的覆蓋層。
18.權利要求15所述的磁頭組合體，其特徵是還具有一個反鐵磁體層，與固定鐵磁體層接觸，用於採用界面交換耦合的辦法固定固定鐵磁體層的磁化方向，該反鐵磁體層位於第1隔離層和固定鐵磁體層之間。
19.權利要求18所述的磁頭組合體，其特徵是還具有一個模板層，位於第1隔離層上邊，用於增強反鐵磁體層的形成，反鐵磁體層直接定位於模板層上邊並與模板層接觸。
20.權利要求18所述的磁頭組合體，其特徵是第1隔離層是一個用於增強反鐵磁體層的形成的模板，反鐵磁體層直接定位於模板層上邊並與模板層接觸。
21.權利要求15所述的磁頭組合體，其特徵是還具有偏置鐵磁體層，用於在不存在外加磁場的情況下，把讀出鐵磁體層的磁化方向偏置到通常為垂直於固定鐵磁體層的磁化方向的方向上；電絕緣層，位於偏置和讀出鐵磁體層之間，用於使偏置層與讀出層電絕緣；而且，其特徵是採用一絕緣層使隔離層與偏置層絕緣，以便當在第1和第2屏蔽之間有讀出電流通過時，電流一般垂直穿過磁性隧道結，而不進入偏置層。
22.權利要求15所述的磁頭組合體，其特徵是還具有連接到第2屏蔽上的讀出電路。
23.權利要求15所述的磁頭組合體，其特徵是每一第1和第2屏蔽都具有一個支座區，第1隔離層形成在第1屏蔽的支座區上邊，第2隔離層形成在第2隔離層的支座區上邊，使得第1和第2屏蔽之間的間隔在支座區外邊比在支座區內大。
24.權利要求23所述的磁頭組合體，其特徵是每一支座區的面積實質上與第1和第2隔離層的每一個的面積相同。
25.權利要求1所述的磁頭組合體，其特徵是第1和第2屏蔽用由下述一組材料中選出的材料形成，上述一組材料包括NiFeX合金(其中X為Ta,Rh,Pt，或Nb),CoZrNb合金以及FeAlSi合金。
26.權利要求15所述的磁頭組合體，其特徵是磁頭支架是一空氣軸承滑動器，讀出表面是滑動器的空氣軸承表面。
全文摘要
一種用於磁性記錄系統的磁性隧道結(MTJ)磁阻讀出磁頭,具有定位於兩個分隔開來的磁屏蔽之間的MTJ設備。該磁屏蔽允許磁頭從磁性記錄媒體中檢測獨立的磁躍遷而不受相鄰躍遷的影響,此外該屏蔽還起著用於把磁頭連接到讀出電路上的電引線的作用。導電性隔離層被定位於MTJ設備的頂部和底部上並把MTJ設備連接到屏蔽上。隔離層的厚度被選定為優化屏蔽之間的間隔,該間隔是一個控制可以從磁性記錄媒體中讀出的數據的線解析度的參數。
文檔編號H01F10/00GK1223431SQ9811940
公開日1999年7月21日 申請日期1998年9月30日 優先權日1997年10月24日
發明者弗萊德裡克·海斯·迪爾, 小羅伯特·埃德沃德·方塔那, 斯圖特·史蒂芬·帕沃斯·帕金, 曾慶驊 申請人:國際商業機器公司