專利名稱：利用巨磁阻效應(yīng)的磁傳感器的制作方法
本申請(qǐng)系基于1997年10月1日提交的第9-268996號(hào)日本專利申請(qǐng)，本發(fā)明需結(jié)合該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以作為參考。
本發(fā)明涉及到一種利用巨磁阻效應(yīng)的磁傳感器。
磁傳感器用于例如用作計(jì)算機(jī)外部存儲(chǔ)設(shè)備的硬盤驅(qū)動(dòng)器的磁頭中。用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的常規(guī)磁頭基于在一個(gè)線圈中感生的電流而探測(cè)一個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。但是，當(dāng)記錄密度提高時(shí)，每比特的記錄區(qū)面積就降低，從而，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)就進(jìn)一步變?nèi)?。在這樣弱的外部磁場(chǎng)中，就需要高靈敏度的磁傳感器來探測(cè)磁場(chǎng)的變化。
眾所周知，利用磁阻效應(yīng)(MR效應(yīng))的磁傳感器就是這樣的高靈敏度磁傳感器。MR效應(yīng)是這樣一種現(xiàn)象當(dāng)把一種磁性材料放到一個(gè)外部磁場(chǎng)中時(shí)，如果磁場(chǎng)方向和電流方向不同，該磁性材料中的電阻就隨著外部磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化。利用MR效應(yīng)的磁傳感器要比使用線圈的磁傳感器更加靈敏。利用MR效應(yīng)的磁傳感器的使用使得可以以高靈敏度探測(cè)外部磁場(chǎng)中的變化，但是，仍需要具有更加高的靈敏度的磁傳感器。
其它正在開發(fā)中的產(chǎn)品是利用巨磁阻效應(yīng)(GMR效應(yīng))的磁傳感器，其特點(diǎn)是其中的電阻變化超過MR效應(yīng)所造成的電阻變化。作為利用GMR效應(yīng)的磁傳感器，現(xiàn)在正在開發(fā)一種具有自旋閥結(jié)構(gòu)的磁傳感器。但是，具有自旋閥結(jié)構(gòu)的磁傳感器中的MR比小于或等于10％，這使得難以在記錄密度不低于20吉位/英寸2的硬盤設(shè)備中使用這種傳感器。
作為被視為可以用于記錄密度不低于20吉位/英寸2的硬盤設(shè)備中的磁傳感器，現(xiàn)已提出了一種具有通過大量的磁性層和非磁性層的交替層疊而獲得的大量的GMR層的磁傳感器。在具有大量GMR層的磁傳感器中，需要幾千奧(斯特)或更強(qiáng)的外部磁場(chǎng)以在通常獲得最大MR比的第一峰值處產(chǎn)生一電阻變化，這使得難以在硬盤設(shè)備磁頭中使用這種磁傳感器。而在第二峰值處，MR比約為10-15％，此時(shí)產(chǎn)生電阻變化所需的外部磁場(chǎng)僅要約100奧斯特，這使得可以將利用第二峰值處的電阻變化的傳感器用作硬盤設(shè)備磁頭。
為了能夠應(yīng)用于更高的記錄密度，MR比必需進(jìn)一步提高。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有多層膜結(jié)構(gòu)的磁傳感器，該結(jié)構(gòu)使得可以提高利用巨磁阻效應(yīng)的磁傳感器的MR比。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種磁傳感器，它包括一個(gè)具有一主表面的支承襯底；一個(gè)在所述支承襯底的主表面上、主要由從CoFe、鈷和銅中選取的一種物質(zhì)構(gòu)成的緩沖層；一個(gè)在所述緩沖層之上、通過磁性層和非磁性層的交互層疊而獲得的多層GMR層，所述非磁性層主要由銅構(gòu)成，所述磁性層和非磁性層的厚度使得可以表現(xiàn)出巨磁阻效應(yīng)。其中，所述緩沖層的厚度與構(gòu)成所述多層GMR層的每一層的厚度不相同。
通過在所述多層GMR層下面設(shè)置所述緩沖層，可以獲得更高的MR比。


圖1A是屬于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的磁傳感器的前視圖。
圖1B是示于圖1A中的磁傳感器中的多層GMR層的被放大的前視圖。
圖2是一個(gè)曲線圖，示出了對(duì)應(yīng)于每一種緩沖層材料的所述多層GMR層的X射線衍射圖譜。
圖3是一個(gè)曲線圖，示出了當(dāng)CoFe用作所述緩沖層時(shí)，對(duì)應(yīng)于銅(111)晶面的峰值強(qiáng)度和由CoFe磁性層和銅非磁性層構(gòu)成的多層GMR層的MR比，它們是所述緩沖層厚度的函數(shù)。
圖4是一個(gè)曲線圖，示出了當(dāng)CoFe用作所述緩沖層時(shí)，對(duì)應(yīng)于銅(111)晶面的峰值強(qiáng)度和由Co磁性層和銅非磁性層構(gòu)成的多層GMR層的MR比，它們是所述緩沖層厚度的函數(shù)。
圖5是一個(gè)曲線圖，示出了當(dāng)銅用作所述緩沖層時(shí)，對(duì)應(yīng)于銅(111)晶面的峰值強(qiáng)度和由CoFe磁性層和銅非磁性層構(gòu)成的多層GMR層的MR比，它們是所述緩沖層厚度的函數(shù)。
圖1A是屬于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的磁頭當(dāng)從其正對(duì)磁記錄媒體的末端面觀察時(shí)的前視圖。在一AlTiC襯底1上，形成有一個(gè)厚度為1.5μm、主要由NiFe或FeN構(gòu)成的下部屏蔽層2，在該下部屏蔽層2上，形成有一個(gè)厚度為70nm、由Al2O3構(gòu)成的下部間隙層3。所述下部間隙層3可以通過下述處理過程形成將襯底溫度設(shè)定為室溫，然后在氬氣氛圍中噴鍍一Al2O3靶。
在所述下部間隙層3的一部分上，形成有一個(gè)臺(tái)狀結(jié)構(gòu)15。該臺(tái)狀結(jié)構(gòu)15是通過下述各層按敘述順序疊置而成的一個(gè)由NiFeCr構(gòu)成的軟磁性交界層(SAL層)4；一個(gè)由Al2O3構(gòu)成的絕緣層5；一個(gè)由CoFe、鈷或者銅構(gòu)成的緩沖層9；一個(gè)具有巨磁阻效應(yīng)的多層GMR層10；和一個(gè)鉭層11。
圖1B是所述絕緣層5、緩沖層9、多層GMR層10和鉭層11的放大前視圖。所述多層GMR層10具有通過磁性層12和非磁性層13的交替疊置而獲得的多層結(jié)構(gòu)。磁性層12可以由CoFe、鈷或類似材料構(gòu)成，而非磁性層13可以由銅構(gòu)成。從SAL層4到鉭層11的每一層都可以由下述處理過程形成在氬氣氛圍中噴鍍一個(gè)靶，該靶由用來形成膜層的材料制成。在所述SAL層4、絕緣層5、緩沖層9、磁性層12和非磁性層13的噴鍍過程中，襯底溫度分別維持在室溫。從SAL層4一直延伸到鉭層11的疊層結(jié)構(gòu)可以由下述處理過程進(jìn)行構(gòu)圖其中，一抗蝕圖用作掩模，且每一層均用氬離子進(jìn)行研磨。
如圖1A所示，由銅構(gòu)成的電極端子20A和20B位于從SAL層4到鉭層11的臺(tái)狀結(jié)構(gòu)15的兩側(cè)。覆蓋附圖中臺(tái)狀結(jié)構(gòu)15的左側(cè)端面和上表面左端區(qū)域的電極端子20A與所述多層GMR層10在其左側(cè)端面電連接。覆蓋附圖中臺(tái)狀結(jié)構(gòu)15的右側(cè)端面和上表面右端區(qū)域的電極端子20B與所述多層GMR層10在其右側(cè)端面電連接。電極端子20A和20B的表面分別被鎢層21A和21B所覆蓋。
所述電極端子20A和20B可以通過去除法(lift off method)而形成。特別地，形成一抗蝕圖來覆蓋襯底表面將形成電極端子20A和20B的區(qū)域以外的區(qū)域，然后通過在所述襯底的整個(gè)表面上噴鍍而形成銅層和鎢層。然后，所述抗蝕圖上的銅層和鎢層被連同抗蝕圖一起被去除，從而形成所述電極端子20A和20B。
由Al2O3構(gòu)成的一個(gè)上部間隙層22以這樣的方式形成，以使其覆蓋襯底的整個(gè)表面，包括鎢層21A和21B的上表面和鉭層11。該上部間隙層被夾在電極端子20A和20B之間的部分厚度可以為70nm。在該上部間隙層22之上，形成有一個(gè)厚度為3.5μm、由NiFe或者FeN構(gòu)成的上部屏蔽層23。
磁盤如此放置，使其正對(duì)示于圖1A的末端面。該磁盤在所述多層GMR層10的法向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)示于圖1A中的末端面和該磁盤之間的間隙幾乎恒定不變。在所述多層GMR層10中產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度隨該磁盤的磁化狀態(tài)而變化。
所述多層GMR層10的橫向電阻隨著垂直于圖1A的紙面的磁場(chǎng)的變化而變化。通過在電極端子20A和20B之間加上一個(gè)電壓并測(cè)量流經(jīng)多層GMR層10的電流，可以探測(cè)出所述外部磁場(chǎng)的變化。
下部屏蔽層2和上部屏蔽層23只允許從存儲(chǔ)在磁盤上的磁化信息中讀出目標(biāo)磁化信息，而由周圍的磁化信息產(chǎn)生的效應(yīng)被排除了。下部屏蔽層2和上部屏蔽層23之間的距離決定磁盤在磁道方向上的記錄密度(線記錄密度)。為了確保當(dāng)施加正向和負(fù)向外部磁場(chǎng)時(shí)能檢測(cè)到不同的電阻，SAL層4用來向GMR層施加一偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。鉭層11用來保護(hù)GMR層，鎢層21A和21B用作電極端子(也可以用銅)。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，GMR特性曲線與緩沖層9的厚度和材料密切相關(guān)。在CoFe用作磁性層12、銅用作非磁性層13的多層GMR層10中，在Co用作磁性層12、銅用作非磁性層13的多層GMR層10中，銅非磁性層的X射線衍射圖譜的(111)晶面峰值強(qiáng)度隨著緩沖層9材料的變化而變化。另外，隨著對(duì)應(yīng)于銅非磁性層(111)晶面的峰值強(qiáng)度的降低，即，隨著(111)晶面定向性的降低，MR比升高。
這里，MR比定義為MR比=(ρMAX-ρMIN)/ρMIN其中，ρMAX和ρMIN分別代表多層GMR層10的電阻率的最大值和最小值。
下面描述緩沖層9的材料和厚度與對(duì)應(yīng)于銅非磁性層13(111)晶面的MR比和峰值強(qiáng)度之間的關(guān)系。
圖2示出了當(dāng)多層GMR層形成于一硅襯底上時(shí)所獲得的一張X射線衍射圖譜。橫軸代表入射X射線軸與衍射射線軸之間形成的以“度”為單位的角度2θ，縱軸代表在任意角度的X射線衍射強(qiáng)度。所述多層GMR層由十組疊置而成，每一層由一厚度為1.08nm的CoFe磁性層和一厚度為2.16nm的銅非磁性層構(gòu)成。在該多層GMR層之上，形成有一厚度為5nm的鉭層。
圖2中的(a)曲線示出了單獨(dú)的硅襯底的X射線衍射圖譜。在約69度的位置，有一個(gè)顯著的峰對(duì)應(yīng)于硅的(100)晶面。曲線(b)、(c)和(e)示出了當(dāng)在所述硅襯底和所述多層GMR層之間插入一層厚度為10nm的緩沖層時(shí)所獲得的X射線衍射圖譜。銅、FeCo和鉭分別用作所述緩沖層材料。曲線(d)示出了沒有緩沖層時(shí)的X射線衍射圖譜。在約43.5度的位置，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)應(yīng)于銅(111)晶面的峰。
當(dāng)鉭被用作緩沖層時(shí)，對(duì)應(yīng)于銅(111)晶面的峰值強(qiáng)度高于沒有緩沖層時(shí)的峰值強(qiáng)度。相反地，與沒有緩沖層時(shí)相比，使用銅或者FeCo作為緩沖層則降低對(duì)應(yīng)于銅(111)晶面的峰值強(qiáng)度。如下文將要描述的，對(duì)應(yīng)于銅(111)晶面的較低的峰值強(qiáng)度可以產(chǎn)生較高的MR比。
圖3到圖5描述了對(duì)應(yīng)于銅(111)晶面的峰值強(qiáng)度和磁頭的MR比，它們是所述緩沖層厚度的函數(shù)。所述磁頭是通過在一(100)晶面暴露的硅襯底上噴鍍一緩沖層，并在該緩沖層上形成一多層GMR層而獲得的。所述多層GMR層由10組疊置而成，每一組由一厚度為1.08nm的磁性層和一厚度為2.16nm的非磁性層構(gòu)成。橫軸代表以“nm”為單位的緩沖層的厚度，左側(cè)縱軸代表以“％”為單位的MR比，右側(cè)縱軸則代表當(dāng)不存在緩沖層時(shí)與MR比相關(guān)的銅(111)晶面的峰值強(qiáng)度。
圖3描述了一種CoFe用作緩沖層和磁性層、銅用作非磁性層的情況。在磁性層和非磁性層的形成過程中，襯底溫度分別維持在室溫。隨著緩沖層厚度的增加，對(duì)應(yīng)于銅的(111)晶面的峰值強(qiáng)度下降。另外，隨著緩沖層的厚度從0nm增加，MR比單調(diào)上升，直到緩沖層厚度約為2.5-5nm時(shí)，MR比取得最大值。隨著緩沖層的厚度的繼續(xù)增加，MR比又逐漸下降，直到當(dāng)緩沖層厚度超過10nm時(shí)，MR比急劇下降。
當(dāng)緩沖層厚度不大于5nm時(shí)，隨著銅的(111)晶面的峰值強(qiáng)度的減弱，MR比增加。當(dāng)緩沖層的厚度超過10nm時(shí)，出現(xiàn)銅的(111)晶面峰以外的峰。在前述范圍內(nèi)伴隨著銅的(111)晶面的峰值強(qiáng)度的降低的MR比的降低，要?dú)w因于銅的晶體結(jié)構(gòu)的改變。
從圖3顯然可以看到，CoFe緩沖層的厚度最好設(shè)在1.3-10nm，更好地，應(yīng)為2.5-5nm。
當(dāng)用鈷替代CoFe用作緩沖層時(shí)，與圖3所示相比，MR比和對(duì)應(yīng)于銅(111)晶面的峰值強(qiáng)度表現(xiàn)出同樣的變化趨勢(shì)。
圖4描述了一種CoFe用作緩沖層、鈷用作磁性層、銅用作非磁性層的情況。在磁性層和非磁性層的形成過程中，襯底溫度分別維持在室溫。在此情況下，與圖3所示的情形相比，可獲得更高的MR比。但是，比值隨緩沖層厚度而變化的方式與圖3所示的情形實(shí)質(zhì)上是一樣的。當(dāng)用鈷替代CoFe用作緩沖層時(shí)，與圖4所示相比，MR比和對(duì)應(yīng)于銅(111)晶面的峰值強(qiáng)度表現(xiàn)出同樣的變化趨勢(shì)。
圖5描述了一種銅用作緩沖層和非磁性層、CoFe用作磁性層的情況。在磁性層和非磁性層的形成過程中，襯底溫度分別維持在室溫。在此情況下，CoFe緩沖層的厚度最好設(shè)在1.3-6.3nm，更好地，應(yīng)為2.5-3.8nm。與圖3和圖4所示的情形相比，MR比隨著緩沖層厚度的增加而增加的更為顯著的趨勢(shì)是因?yàn)橄率鍪聦?shí)流經(jīng)具有良好導(dǎo)電性的銅緩沖層的電流相對(duì)增加了，而流經(jīng)多層GMR層的電流相對(duì)減少了。
當(dāng)用鈷替代CoFe用作磁性層時(shí)，與圖5所示的情形相比，也可獲得更高的MR比。但是，MR比隨緩沖層厚度而變化的方式與圖5所示的情形實(shí)質(zhì)上是一樣的。
盡管參照附圖3到5描述了CoFe或者鈷用作多層GMR層中的磁性層的實(shí)施例，也可以使用其它的磁性材料。從圖3-5可以明顯看到，在具有用銅作為非磁性層的多層GMR層的磁傳感器中，有時(shí)候，通過在下伏表面和多層GMR層之間插入一個(gè)由CoFe、鈷或者銅構(gòu)成的緩沖層，可以獲得比沒有緩沖層時(shí)更高的MR比。在此情況下，構(gòu)成所述多層GMR層的磁性層和非磁性層具有這樣的厚度，使得它們可以表現(xiàn)出巨磁阻效應(yīng)，而所述緩沖層的厚度不同于所述磁性層和非磁性層中每一層的厚度。
當(dāng)CoFe或者鈷用作緩沖層時(shí)，其厚度最好設(shè)在1.3-10nm，更好地，應(yīng)為2.5-5nm。當(dāng)銅用作緩沖層時(shí)，其厚度最好設(shè)在1.3-6.3nm，更好地，應(yīng)為2.5-3.8nm。
盡管上述實(shí)施例是參照Al2O3用作緩沖層9之下的絕緣層5的情形描述的，也可以使用其它的絕緣材料。
雖然本發(fā)明是參照上述實(shí)施例描述的，但本發(fā)明并不局限于此。例如，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然還可以作各種各樣的變動(dòng)、改進(jìn)、組合，等等。
權(quán)利要求
1.一種磁傳感器，包括一個(gè)具有一主表面的支承襯底；一個(gè)在所述支承襯底的主表面上、主要由從CoFe、鈷和銅中選取的一種物質(zhì)構(gòu)成的緩沖層；和一個(gè)在所述緩沖層之上、通過磁性層和非磁性層的交互層疊而獲得的多層GMR層，所述非磁性層主要由銅構(gòu)成，所述磁性層和非磁性層的厚度使得可以表現(xiàn)出巨磁阻效應(yīng)；其中，所述緩沖層的厚度與構(gòu)成所述多層GMR層的每一層的厚度不相同。
2.如權(quán)利要求1所述磁傳感器，其特征在于，所述緩沖層主要由CoFe或者鈷構(gòu)成，厚度為1.3-10nm。
3.如權(quán)利要求2所述磁傳感器，其特征在于，所述緩沖層的厚度為2.5-5nm。
4.如權(quán)利要求1所述磁傳感器，其特征在于，所述緩沖層主要由銅構(gòu)成，厚度為1.3-6.3nm。
5.如權(quán)利要求4所述磁傳感器，其特征在于，所述緩沖層的厚度為2.5-3.8nm。
6.如權(quán)利要求1所述磁傳感器，其特征在于，所述多層GMR層的磁性層主要由CoFe或者鈷構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求1所述磁傳感器，其特征在于，還包括一對(duì)電極端子，用來在所述多層GMR層中在平行于其表面方向通過一電流。
全文摘要
在一支承襯底的主表面上形成一緩沖層。該緩沖層主要由從CoFe、鈷和銅中選取的一種物質(zhì)構(gòu)成的緩沖層。在所述緩沖層之上形成一個(gè)多層GMR層,后者具有一種疊層結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)是通過磁性層和非磁性層的交互層疊而獲得的。所述非磁性層由銅構(gòu)成,所述磁性層和非磁性層的厚度使得可以表現(xiàn)出巨磁阻效應(yīng)。所述緩沖層的厚度與構(gòu)成所述多層GMR層的每一層的厚度不相同。
文檔編號(hào)G11B5/39GK1213865SQ98107979
公開日1999年4月14日 申請(qǐng)日期1998年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月1日
發(fā)明者瀨山喜彥, 飯島誠(chéng) 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社