CN100431007C - 磁阻头 - Google Patents

Abstract

磁阻头。在该磁阻头中，对磁域控制层的磁性方向加以稳定，以固定作用在磁阻膜的自由层上的偏置磁场，从而抑制了诸如巴克豪森噪声之类的噪声的产生并且能够使磁阻头稳定工作。CPP型磁阻头包括：磁阻元件；下电极层和上电极层，设置成在厚度方向上夹住磁阻元件；磁域控制层，借助绝缘膜设置在磁阻元件的两侧，并且施加用于控制在磁阻元件中提供的自由层的磁域的偏置磁场；和反铁磁层，叠置在所述磁域控制层上，并且固定所述磁域控制层的偏置磁场。

Description

磁阻头

技术领域

本发明涉及一种磁阻头，更具体地，涉及一种CPP(电流垂直于平面)型磁阻头。

背景技术

附图7示出了从头滑块(head slider)的浮置表面侧观察时的CPP型磁阻(magneto-resistive)头的结构。这个磁阻头包括磁阻元件10、下电极层12和上电极层14(这两个电极层设置为沿着厚度方向夹住磁阻元件10)和磁域(magnetic domain)控制层16a、16b(设置为从两侧夹住磁阻元件10)。

下电极层12和上电极层14都是由软磁材料(比如镍铁(NiFe))构成的，并且除了起到磁性屏蔽层的作用之外，还用作电流端子，用于使电流沿着垂直于层12、14叠置于磁阻元件10上的表面的方向流过。为了使下电极层12和上电极层14彼此电绝缘，从磁阻元件10的两侧表面跨越下电极层12的上表面设置了由氧化铝之类的材料制成的绝缘层18a和18b。

磁阻元件10具有这样的结构：其中叠置了固定层(pinned layer)和自由层等。设置了磁域控制层16a、16b来施加偏置磁场，以控制自由层的磁域，从而使得在没有磁通量作用的时候，自由层的磁性方向为朝向芯宽度方向。为了实现这种情况，为磁域控制层16a、16b使用了表现出永磁性的铁磁材料，比如CoCrPt或CoPt。

专利文献1

日本特开专利申请第H11-316919号

如上所述，设置了磁域控制层16a、16b来将磁阻元件10中形成的自由层的磁性方向定向成预定的标准方向(芯宽度方向)。不过，相信由于后述的因素，由磁域控制层16a、16b造成的偏置磁场并不会精确作用于自由层，造成产生巴克豪森噪声(Barkhausen noise)之类的风险。

换句话说，考虑到由于磁域控制层16a、16b是借助绝缘层18a、18b设置在磁阻元件10的两侧的，因此作用在磁阻元件10的自由层上的磁场的效果受到了抑制。

由于将面对磁阻元件10的表面的磁域控制层16a、16b形成为倾斜表面，因此磁域在面对磁阻元件10的表面上的取向变得不均匀(不对齐)。相信这会造成偏置磁场无法精确地作用在自由层上。由于来自磁域控制层16a、16b的作用在自由层上的偏置磁场主要作用在磁阻元件10的端面上，因此磁域在磁域控制层16a、16b的端面处的取向是很重要的。

下电极层12和上电极层14是软磁体，并且经下电极层12和上电极层14作用在磁阻元件10上的偏置磁场，尤其是经上电极层14作用的偏置磁场也是很重要的。磁域控制层16a、16b的偏置磁场经下电极层12和上电极层14作用在磁阻元件10上，但是如果磁域控制层16a、16b的磁域取向变得不稳定，那么经下电极层12和上电极层14作用在磁阻元件10上的偏置磁场也将会变得不稳定。相信这会导致噪声。

发明内容

构思本发明是为了解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种磁阻头，并且具体地是一种CPP型磁阻头，其中对磁域控制层的磁性方向进行了稳定，从而精确定向了磁阻膜中的自由层的磁性方向，而抑制诸如巴克豪森噪声之类的噪声的产生，并且该磁阻头能够稳定工作。

为了实现所述的目的，根据本发明的磁阻元件是一种CPP(电流垂直于平面)型磁阻头，包括：磁阻元件；下电极层和上电极层，设置成在厚度方向上夹住磁阻元件；磁域控制层，借助绝缘膜设置在磁阻元件的两侧，并且施加偏置磁场来控制在磁阻元件中提供的自由层的磁域；和反铁磁层，它们叠置在磁域控制层上，并且固定磁域控制层的偏置磁场，其中所述反铁磁层借助设置在反铁磁层与上电极层之间的交界面处的第一铁磁层、非磁性层和第二铁磁层与所述上电极层磁性耦合。

包括固定层、绝缘层和自由层的TMR元件可用作磁阻元件。

包括固定层、非磁性中间层和自由层的自旋阀型GMR元件可用作磁阻元件。

反铁磁层可借助设置在反铁磁层与磁域控制层之间的交界面处的第一铁磁层、非磁性层和第二铁磁层与磁域控制层磁性耦合，以加强反铁磁层与磁域控制层之间的磁性耦合。

根据本发明的一种磁盘设备，包括由旋转驱动构件旋转驱动的磁性记录盘、包括支撑着上面形成有记录/再现头的头滑块的头悬臂和托架臂(carrier arm)的支撑构件、驱动支撑构件以使得头滑块进行搜索操作的控制单元，其中记录/再现头包括作为再现头的CPP型磁阻头，该CPP型磁阻头包括：磁阻元件；下电极层和上电极层，设置成在厚度方向上夹住磁阻元件；磁域控制层，借助绝缘膜设置在磁阻元件的两侧，并且施加偏置磁场来控制在磁阻元件中提供的自由层的磁域；和反铁磁层，它们叠置在磁域控制层上，并且固定磁域控制层的偏置磁场，其中所述反铁磁层借助设置在反铁磁层与上电极层之间的交界面处的第一铁磁层、非磁性层和第二铁磁层与所述上电极层磁性耦合。

通过使用根据本发明的磁阻头，通过提供叠置在磁域控制层上的反铁磁层，抑制了诸如巴克豪森噪声之类的噪声的产生，从而能够提供能稳定工作的再现头。而且通过使用这一磁阻头作为记录/再现头的磁盘设备，能够对信息进行稳定和高度可靠的记录/再现操作。

附图说明

在参照附图阅读和理解了下述详细说明的基础上，对于本领域的技术人员来说，本发明的前述的和其它的目的和优点将会变得显而易见。

在附图中：

附图1是示出了根据本发明的磁阻头的结构的截面图；

附图2是用于解释磁阻头的磁性方向的示意图；

附图3A到3D是用于解释磁阻头的制造工艺的示意图；

附图4A到4D是用于解释磁阻头的制造工艺的示意图；

附图5是示出了磁盘设备的总体结构的平面图；

附图6是头滑块的立体图；和

附图7是示出了磁阻头的现有结构的截面图。

具体实施方式

现在将参照附图详细介绍本发明的优选实施例。

附图1示出了根据本发明的磁阻头的截面结构。和附图7中所示的现有磁阻头一样，根据本实施例的磁阻头30包括磁阻元件10、下电极层12、上电极层14和磁域控制层16a、16b。绝缘层18a、18b将磁阻元件10与磁域控制层16a、16b电绝缘，并且将磁域控制层16a、16b与下电极层12电绝缘。

应当注意到，磁阻元件10是由包括固定层、绝缘层和自由层的TMR(隧道磁阻)元件或包括固定层、非磁性中间层和自由层的自旋阀型GMR(巨磁阻)元件形成的。由于磁域控制层16a、16b所施加的偏置磁场的作用，自由层的磁性方向在没有施加磁场的时候得以定向在垂直于固定层的磁性方向的方向上。自由层的磁性方向依照记录在磁性记录介质上的磁性信息所引起的磁化进行旋转，并且利用下电极层12和上电极层14来检测磁阻元件10的阻抗变化。

根据本实施例的磁阻头30的特征结构是，在设置在磁阻元件10的两侧的磁域控制层16a、16b上叠置了反铁磁层20a、20b。设置反铁磁层20a、20b是为了将磁域控制层16a、16b的偏置磁场固定在这样一个方向上：使形成在磁阻元件10上的自由层的磁性方向垂直于固定层的磁性方向的方向(芯宽度方向)。

由于设置了反铁磁层20a、20b，因此就将上电极层设置成了覆盖磁阻元件10的上表面和反铁磁层20a、20b的上表面。

附图2是用于为附图1中所示的磁阻头解释磁性方向的示意图。

包含在CPP型磁阻头中的磁阻元件10可以以各种不同的方式构成，但是如上所述，设置了固定层101、中间层102和自由层103作为基本结构。

固定层101由磁性方向固定的磁性层构成，以致其磁性方向不会随磁性记录介质的磁性而发生波动。设置了反铁磁层作为固定层101的下部分，并且固定层101的磁性方向是通过磁交换耦合固定的。固定层101由NiFe合金、铁钴(FeCo)合金和铁磁层之一或其中的多个以及非磁性层的层叠结构形成。反铁磁层由MnPt、MnPtPd、MnIr、MnFe、MnNi、NiO等形成。

在TMR元件的情况下，中间层102(绝缘层)通过使用Al₂O₃、SiO₂、AlN、SiN、TiO、MgO、HfO之类的材料，在下电极层12和上电极层14之间有电流流动的时候，造成了电流的隧道效应。应当注意到，在GMR元件的情况下，使用了非磁性层代替绝缘层作为中间层102。

自由层103由磁性层构成，该磁性层设置成使得自由层103的磁性方向被磁性记录介质的磁性方向旋转。自由层103由使用NiFe合金、FeCo合金之类材料的单个膜或多个膜形成。

如上所述，磁域控制层16a、16b用于施加偏置磁场，该偏置磁场将自由层103的磁性方向定向到垂直于固定层101的磁性方向的方向上。磁域控制层16a、16b是由硬铁磁材料(比如CoCrPt或CoPt)形成的，同时将磁域控制层16a、16b的磁性方向设置成产生使自由层103的磁性方向垂直于固定层101的磁性方向的偏置磁场。

反铁磁层20a、20b起到固定由磁域控制层16a、16b产生的偏置磁场的作用。由于反铁磁层20a、20b进行与磁域控制层16a、16b之间的交界面上的磁交换耦合(该磁交换耦合起到了将磁域控制层16a、16b排列在单个方向上的作用)，反铁磁层20a、20b起到了固定由磁域控制层16a、16b产生的偏置磁场的作用。

这样，通过设置反铁磁层20a、20b，磁域控制层16a、16b面对磁阻元件10的端面的磁域不均匀的问题得到了改善，并且磁域控制层16a、16b能够更加精确地定向自由层103的磁性方向。

反铁磁层20a、20b还对由软磁性材料构成的上电极层14有影响，其中上电极层14在与反铁磁层20a、20b的交界面上的磁性方向与磁域控制层16a、16b的磁性方向相同。

就是说，反铁磁层20a、20b具有将上电极层14的磁性方向定向并保持在自由层103的标准磁性方向上的作用。结果，防止了自由层103的磁性方向变得不稳定，抑制了诸如巴克豪森噪声之类的噪声的产生，并且可以提供工作稳定的磁阻头。

应当注意到，要增强反铁磁层20a、20b与磁域控制层16a、16b之间的磁性耦合，在反铁磁层20a、20b与磁域控制层16a、16b之间的交界面处插入铁磁层、非磁性层和另一个铁磁层是很有效果的。同样，要增强反铁磁层20a、20b与上电极层14之间的磁耦合，在上电极层14与反铁磁层20a、20b之间的交界面处插入铁磁层、非磁性层和另一个铁磁层是很有效果的。铁磁材料是包含至少Ni、Fe和Co之一的合金，非磁性材料Ru、Ir、Cu之类材料的单膜或者包含这些材料的合金膜。这里，两个铁磁层是通过在这两个铁磁层之间夹着非磁性层而进行反铁磁性耦合的，从而磁耦合能够得到增强。

附图3A到3D和附图4A到4D示出了上述磁阻头的制造工艺。下面将参照附图3A到3D和附图4A到4D介绍磁阻头的制造方法。

附图3A示出了在构成磁阻头的底座的基板(未示出)上已经形成了下电极层12的状态。下电极层12用作电流端子之一，还用作磁阻元件10的磁性屏蔽，并且是由软磁性材料形成的。作为一个例子，下电极层12可以通过电镀厚度为1到2μm的NiFe形成。在电镀之后，通过CMP(化学机械抛光)将下电极层12的表面修平。

在此之后，在下电极层12的表面上形成磁阻膜100(见附图3B)。磁阻膜100是通过溅镀依次叠置诸如反铁磁层、固定层、绝缘层、自由层、和间隙层的多层而形成的。磁阻膜100的厚度为大约50nm。在形成了磁阻膜100之后，进行固定退火处理，以将固定层101的磁性方向定向在垂直于浮置面的方向上。

附图3C示出了接下来形成了用于通过蚀刻磁阻膜100来形成磁阻元件10的剥离图案(lift-off pattern)40的状态。通过用光致抗蚀剂(photosensitive resist)覆盖磁阻膜100的表面并曝光和显影该抗蚀剂而形成为向外凸出的形状的剥离图案40。

附图3D示出了利用剥离图案40作为掩模通过离子研磨(ionmilling)对磁阻膜100进行了蚀刻的状态。通过调整离子研磨的角度，将磁阻元件10的侧面蚀刻得变成了倾斜表面。

附图4A示出了在已在磁阻元件10上形成了剥离图案40的状态下按照绝缘层18a、18b、磁域控制层16a、16b和反铁磁层20a、20b的顺序形成了这些层的状态。绝缘层18a、18b的厚度为5到20nm，磁域控制层16a、16b的厚度为200到400nm，而反铁磁层20a、20b的厚度为大约10nm。

根据本实施例，使用了氧化铝作为绝缘层18a、18b，使用了CoCrPt作为磁域控制层16a、16b，并且使用PdPtMn作为反铁磁层20a、20b。

通过在形成了绝缘层、磁域控制层和反铁磁层之后剥离该剥离图案40，如附图4B所示，在下电极层12上留下了磁阻元件10、磁域控制层16a、16b和反铁磁层20a、20b。在磁域控制层16a、16b与磁阻元件10和下电极层12的交界面处插入绝缘层18a、18b。

附图4C示出了接下来在磁阻元件10的表面和反铁磁层20a、20b的表面上形成了上电极层14的状态。上电极层14是由软磁体形成的，并且作为一个例子，是通过电镀厚度为1到2μm的NiFe形成的。

最后，进行退火处理，以针对自由层103将磁域控制层16a、16b、反铁磁层20a、20b和上电极层14磁化为预定标准磁性方向(垂直于固定层101的磁性方向的方向)(见附图4D)。这个退火处理是在预先得到固定的固定层101的磁性方向不旋转的范围内进行的。

通过这样做，得到了构成的各个部分具有如附图2中所示的磁性方向的磁阻头。

上面介绍的磁阻头构成了用于磁盘设备中的记录/再现头的再现头部分。记录/再现头是通过在上述的磁阻头上形成记录头而获得的。记录头由线圈和磁轭(magnetic yoke)构成，并且构成得能够利用由线圈产生的感生磁场在磁性记录介质上记录信息。记录头是通过公知的方法形成的，比如淀积磁性材料膜之类的方法。

附图5示出了使用包括上述的磁阻头的记录/再现头的磁盘设备的一个例子。磁盘设备50包括多个磁性记录盘53，它们由位于矩形盒形状的盒体51内的主轴电机52旋转驱动。在磁性记录盘53的旁边设置了托架臂54，该托架臂54受到支撑，以致能够平行于盘表面摆动。在托架臂54的端部连接有头悬臂55，以致延长了托架臂54，并且头滑块60安装在头悬臂55的端部上。头滑块60安装在头悬臂55面对各个盘表面的表面上。

附图6是头滑块60之一的立体图。在头滑块60面对磁盘的表面(ABS面)上沿着滑块主体61的侧边缘设置有浮置轨62a、62b，用于使得头滑块60浮置在磁盘表面上方。包括磁阻头的记录/再现头63在头滑块60的前端(气流流出一侧)面对磁盘设置。记录/再现头63由保护膜64覆盖和保护。

各个头滑块60由头悬臂55弹性地压向盘表面，并且当磁性记录盘53停止旋转时接触到盘表面。当磁性记录盘53由主轴电机52旋转驱动时，造成各个头滑块53由通过磁性记录盘53的旋转产生的气流浮起来，并且从而离开各个盘表面。信息是通过设置在头滑块60上的记录/再现头记录在磁性记录盘53上的。再现信息的操作是通过使用致动器56将托架臂54摆动到预定位置的操作(寻道操作)进行的。

Claims (5)

1、一种电流垂直于平面型磁阻头，包括：

磁阻元件；

下电极层和上电极层，设置成在厚度方向上夹住磁阻元件；

磁域控制层，借助绝缘膜设置在磁阻元件的两侧，并且施加用于控制所述磁阻元件中提供的自由层的磁域偏置磁场；和

反铁磁层，叠置在磁域控制层上，并且固定所述磁域控制层的偏置磁场，

其中所述反铁磁层借助设置在反铁磁层与上电极层之间的交界面处的第一铁磁层、非磁性层和第二铁磁层与所述上电极层磁性耦合。

2、根据权利要求1所述的电流垂直于平面型磁阻头，

其中所述磁阻元件是包括固定层、绝缘层和自由层的TMR元件。

3、根据权利要求1所述的电流垂直于平面型磁阻头，

其中所述磁阻元件是包括固定层、非磁性中间层和自由层的自旋阀型GMR元件。

4、根据权利要求1所述的电流垂直于平面型磁阻头，

其中所述反铁磁层借助设置在所述反铁磁层与所述磁域控制层之间的交界面处的第一铁磁层、非磁性层和第二铁磁层与所述磁域控制层磁性耦合。

5、一种磁盘设备，包括由旋转驱动构件旋转驱动的磁性记录盘、包括支撑着上面形成有记录/再现头的头滑块的头悬臂和托架臂的支撑构件、驱动支撑构件以使得头滑块进行寻道操作的控制单元，

其中所述再现/记录头包括作为再现头的电流垂直于平面型磁阻头，该电流垂直于平面型磁阻头包括：

磁阻元件；

下电极层和上电极层，设置成在厚度方向上夹住磁阻元件；

磁域控制层，借助绝缘膜设置在所述磁阻元件的两侧，并且施加用于控制所述磁阻元件中提供的自由层的磁域的偏置磁场；和

反铁磁层，叠置在所述磁域控制层上，并且固定所述磁域控制层的偏置磁场，

其中所述反铁磁层借助设置在反铁磁层与上电极层之间的交界面处的第一铁磁层、非磁性层和第二铁磁层与所述上电极层磁性耦合。

Images