铁磁性隧道结磁传感器制造技术

一种铁磁性隧道结磁传感器，它包括一个第一铁磁性层，一个形成于前述第一铁磁性层之上的并在其中包括一层隧道氧化膜的绝缘阻挡层和一个形成于前述绝缘阻挡层之上的第二铁磁性层，其中，前述绝缘阻挡层包括一个带前述隧道氧化膜的金属层，前述隧道氧化膜由构成前述金属层的金属元素的氧化物组成，并且，该绝缘阻挡层的厚度约为１．７ｎｍ或更小，但大于组成前述隧道氧化膜的前述氧化物的一个分子层的厚度。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及到磁头，尤其是使用所谓的铁磁性隧道结的高灵敏度磁头。磁头被广泛使用于从声像设备比如录像机或者磁带录音机到信息处理设备比如计算机的磁存储设备。尤其是在信息处理设备中，需要处理非常大量的与图象数据或者声音数据及其相关数据处理有关的信息，因而需要能够以非常大的记录密度记录信息的大容量高速度磁存储设备。能够被磁头读出的信息记录密度，或者说分辨率极限，首先取决于磁头的缝隙宽度和磁头距记录介质的距离。在磁芯外缠绕线圈的感应型磁头中，当缝隙宽度为1μm时可达到高达65兆位/平方英寸的记录密度。另一方面，有预测说，在将来，将需要可对超过20吉位/平方英寸的记录密度进行读写的磁头。为了达到这一点，最基本的是要提供一种能够探测非常微弱的磁信号的超高灵敏度的磁传感器，但这种超高灵敏度、超高分辨率和超高速度的磁传感器不可能用基于电磁感应原理工作的感应型磁头来实现。作为能够探测到由非常微细的磁记录点产生的这种非常微弱的磁信号的高灵敏度磁头，有这样一种方案，即，在磁头中使用一种所谓的MR(磁阻)磁传感器或者GMR(巨磁阻)磁传感器，前者使用一种各向异性磁阻，后者使用一种巨磁阻。附图说明图1以横断面的方式示出了一种典型的传统超高分辨率读写磁头10的结构。参图1，该磁头10是在通常由Al2O3·TiC或者类似物质组成的陶瓷衬底上构成的，该磁头包括一个在前述衬底11上形成的下部磁屏蔽层12，以及在下部磁屏蔽层12上形成的上部磁屏蔽层14，在两个磁屏蔽层之间夹有一层非磁性的绝缘膜13。前述上部和下部磁屏蔽层12和14在磁头10的前缘形成了一个读间隙15，在该读间隙15中安装一个磁传感器16。而且，在上部磁屏蔽层14上有一磁极18，在前二者之间夹有非磁性的绝缘膜17。前述磁极18和上部磁屏蔽层14一起在磁头10的前缘形成一个写间隙19。另外，在前述绝缘膜12的内部有一个写线圈结构17。在图1的磁头10中，有人提出用各种GMR磁传感器比如自旋阀(spin-valve)磁传感器作为前述磁传感器16。自旋阀磁传感器是一种含有约束层的磁传感器，该约束层是铁磁性材料的，比如NiFe或者Co，它与一层由FeMn、IrMn、RhMn、PtMn、PdPtMnN或类似材料构成的反铁磁性层相邻。一个反铁磁性材料比如NiFe或者Co的自由层与前述约束层交互耦合，二者间夹有一层非磁性层比如Cu层。应注意到，前述约束层具有由前述反铁磁性层所确定的磁化，而在外磁场的作用下，前述自由层可改变磁化方向。随着前述自由层和约束层的磁化所形成的角的变化，自旋阀磁传感器可改变其阻值。但是，这种传统的GMR磁传感器存在一个共同的问题，这个问题与其“非磁性层与反铁磁性层相邻”的结构特征有关，这个问题就是，对于热处理过程，这种磁头比较脆弱。应当注意到，在图1所示的磁头10的制造过程中，一次通常是在250到300℃之间的温度下进行的热处理过程是不可避免的。图2A到2E示出了图1所示的磁头10的典型的制造过程。参图2A，在包括磁传感器16的磁结构及上部磁屏蔽层14形成之后，对应于写间隙19的一层薄的绝缘阻挡层形成于前述上部磁屏蔽层14之上，并进一步在前述绝缘阻挡层之上形成一层抗蚀图17A。下一步，在图2B中，在250-300℃的温度下使图2A所示的结构退火，以使得前述抗蚀图17A的竖直前缘软熔，从而在该抗蚀图17A的前述前缘形成一个弧形斜面。再下一步，在图2C中，在经过软熔的前述抗蚀图17A上形成前述线圈结构17C，并在抗蚀图17A上形成另一个抗蚀图17B，以掩盖住前述线圈结构17C。进一步，在图2D的步骤中，仍在250-300℃的温度下对图2C所示的结构进行与图2B的步骤相似的退火处理。图2D所示步骤的结果是使得抗蚀图17B同样具有与抗蚀图17A相似的弧形斜面。最后，在图2E所示的步骤中，在图2D所示的结构上形成磁极18。在磁传感器16形成之后抗蚀图17A和17B经历退火过程的前述图2A-2E所示的过程中，应当注意到，磁传感器经受250-300℃的热退火处理共两次，即在图2B和图2D所示的步骤中，而我们知道，这种热退火处理的结果，是使得GMR磁传感器丧失大部分作为其特征的大的磁阻变化。特别地，在使用PtMn、PdPtMnN或类似物质作为反铁磁性层的情况下，应当注意到，为了晶化前述反铁磁性层，需要在250℃或更高的温度下进行进一步的热退火处理。另一方面，有人提出使用一种铁磁性隧道结磁传感器作为磁头10的磁传感器16，其中，在一对铁磁性层之间夹有一层隧道绝缘膜。人们希望这种铁磁性隧道结磁传感器对微弱的磁场产生非常大的磁阻变化，甚至比自旋阀GMR传感器更大的磁阻变化，据认为，这种磁传感器是一种大有前途的用于前述超高分辨率磁头10的磁传感器。图3A和3B示出了用于前述磁传感器16的一种铁磁性隧道结传感器的原理。参图3A和3B，磁传感器16包括一层NiFe或者Co的下部铁磁性层16A，以及一层也是NiFe或者Co质的上部铁磁性层16B，在两个铁磁性层16A和16B之间夹有厚度为几个纳米的成分为AlOx的隧道绝缘膜。自旋方向向上和自旋方向向下的电子通过隧道绝缘膜16C以隧道电流的形式流动，该隧道电流通常垂直于隧道绝缘膜的主表面。在图3A所示的状态中，不存在显著的外部磁场，可以看出，铁磁性层16A中和铁磁性层16B中的磁化方向是反向平行的，这是铁磁性层16A和16B之间的交互作用的结果。相反，在图3B所示的存在外部磁场H的情况下，铁磁性层16A中和铁磁性层16B中的磁化方向是平行的。在这种结构的铁磁性隧道结磁传感器中，应当注意到，电子隧道效应概率随前述上部和下部磁性层16A和16B的磁化强度而变化，并且，磁头的隧道电阻R随外部磁场H而变化，变化关系如下R＝Rs+(1/2)·ΔR(1-cosθ)(1)其中，Rs代表在一基准态下的隧道电阻，在该基准态下磁性层16A和16B中的磁化方向平行，θ代表磁性层16A和16B中的磁化方向所形成的角度，ΔR则代表隧道电阻R在前述磁化方向平行和和反平行两种状态之间的变化。应当注意到，ΔR总是取正值。由之可以确定一个隧道电阻变化比或者说MR比即ΔR/R。从公式(1)可以推断，当磁性层16A中的磁化方向与磁性层16B中的磁化方向为如图3A所示的平行关系时，隧道电阻R最小。而当磁性层16A中的磁化方向和磁性层16B中的磁化方向为如图3B所示的反向平行关系时，该隧道电阻R最大。应当注意到，磁阻的这种变化是由于下述事实，即电子电流通常包括两种电子，即自旋方向向上和向下的电子。在一个非磁体中，自旋向上和向下的电子数目通常是相等的，因此非磁体不表现出磁性。而在铁磁性体中，相反，自旋向上和向下的电子数目不同，这就是铁磁性体表现出磁性的原因。当单个电子穿过前述隧道绝缘阻挡层16C(隧道效应)从铁磁性层16A到16B时，或者反向穿过时，在隧道效应前后，该电子的自旋状态不变。这还意味着，为了使电子成功地从一层铁磁性层穿到另一层铁磁性层，该另一层铁磁性层需要具有与前述电子的自旋状态相应的空位。如果没有前述空位，就不能发生该电子的隧道效应。应当注意到，根据下述关系式，前述隧道电阻的MR比ΔR/R是电子在源铁磁性层16B中的自旋极化和电子在目标铁磁性层16本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁磁性隧道结磁传感器，它包括： 一个第一铁磁性层（２１Ａ，３０Ａ）； 一个形成于前述第一铁磁性层之上的绝缘阻挡层（２１Ｃ，３０Ｃ），该绝缘阻挡层包括一个隧道氧化膜； 一个形成于前述绝缘阻挡层之上的第二铁磁性层（２１Ｂ，３０Ｂ）； 前述绝缘阻挡层包括一个带前述隧道氧化膜的金属层，前述隧道氧化膜由构成前述金属层的金属元素的氧化物组成； 其特征在于，前述绝缘阻挡层的厚度约为１．７ｎｍ或更小，大于组成前述隧道氧化膜的前述氧化物的一个分子层的厚度。

【技术特征摘要】
JP 1998-3-11 060069/98;JP 1997-3-26 074276/97;JP 11.一种铁磁性隧道结磁传感器，它包括一个第一铁磁性层(21A，30A)；一个形成于前述第一铁磁性层之上的绝缘阻挡层(21C，30C)，该绝缘阻挡层包括一个隧道氧化膜；一个形成于前述绝缘阻挡层之上的第二铁磁性层(21B，30B)；前述绝缘阻挡层包括一个带前述隧道氧化膜的金属层，前述隧道氧化膜由构成前述金属层的金属元素的氧化物组成；其特征在于，前述绝缘阻挡层的厚度约为1.7nm或更小，大于组成前述隧道氧化膜的前述氧化物的一个分子层的厚度。2.如权利要求1所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，前述金属元素从Al、Hf、Zr和Nb中选取。3.如权利要求1所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，前述隧道氧化膜是前述金属层的自然氧化膜。4.如权利要求1所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，前述隧道氧化膜是前述金属层的等离子体氧化膜。5.如权利要求1所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，前述金属层含有氧，氧的浓度在金属层内向与前述第一铁磁性层的界面方向增加。6.如权利要求1所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，前述金属元素与氧的结合能大于构成任何前述第一和第二铁磁性层的金属元素与氧的结合能。7.如权利要求1所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，它还包括在前述绝缘阻挡层(40C)和前述第一铁磁性层(40A)之间的一个扩散障碍层(42C)，其厚度允许一个相当大的隧道电流从中流过。8.如权利要求7所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，前述扩散障碍层(42C)是一层形成于前述第一铁磁性层的一个表面上的氧化膜。9.如权利要求1所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，前述绝缘阻挡层包括一系列金属层(40Ca-40Cc)和一系列相应的隧道氧化膜，前述相互邻接的金属层是由不同的金属元素组成的。10.如权利要求1所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，前述第一和第二铁磁性层(42A′，43B′)中的至少一层包括一系列堆叠的磁性层，且这些相互邻接的磁性层具有不同的成分。11.如权利要求1所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，它还包括一层反铁磁性层(22，34，44)，与前述第一和第二铁磁性层之一相邻接。12.如权利要求11所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，前述反铁磁性层(22，34，44)包括从Pd、Pt、Mn、Ir和Rh中选取的至少两种元素。13.如权利要求11所述的铁磁性隧道结磁传感器，其特征在于，前述反铁磁性层(22，34，44)具有一种结晶的有序点阵结构。14.一种磁头，它包括一种铁磁性隧道结磁传感器(20，30，40，50，60，70，80)，前述铁磁性隧道结磁传感器包括一个第一铁磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐藤雅重，小林和雄，菊地英幸，
申请(专利权)人：富士通株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]