磁头、硬盘装置和盘阵列装置制造方法及图纸

提供一种磁头、磁性编码器、硬盘装置和盘阵列装置。该磁头包括铁磁性隧道结元件，该铁磁性隧道结元件具有：磁化方向可自由旋转的自由层；通过势垒层与所述自由层的一面对置、由相邻反铁磁性层固定磁化方向的固定层，所述自由层与高导磁率部件相连接。由此，可以提供具有良好灵敏度磁头和磁性编码器。而且，可以提供适应磁记录载体的高记录密度化的磁头以及采用这种磁头的大记录容量的硬盘装置。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁性传感器、磁头、磁性编码器和硬盘驱动器，更具体地，涉及利用铁磁性隧道结的磁性传感器、磁头、磁性编码器和硬盘驱动器。
技术介绍
电子元件中常常利用隧道现象。这种隧道现象一般是指其动能小于势垒的粒子例如电子等通过势垒而移动的现象。经典力学无法解释这种现象，但是量子力学可以说明这种特殊的现象。粒子的波函数一边在势垒内侧衰减，一边进入到势垒外侧，外侧的波函数振幅不是为零，而是以行波行进，因此粒子能通过势垒。作为隧道现象的例子，已知有因α衰变而从原子核发射出α粒子的现象，在金属上施加高电压从金属表面发射出电子的现象(电场发射)，在半导体的pn结施加高的反向偏压时电子渗透进耗尽层的现象等。这是实用上非常重要的量子力学的效果。作为电子元件中利用隧道现象的典型现象，有“金属/绝缘体/金属”结，如果在两侧的金属施加电压，则存在绝缘体非常薄时有弱电流流过的现象。通常绝缘体是不能通过电流的，但是当绝缘体的厚度在数埃()～数十时，最好薄到数～十数的程度时，由于量子力学的效果，就会由于电子具有通过绝缘体的很低几率而发生这种现象。此时的电流称为“隧道电流”，具有这种结构的结称为“隧道结”。为了实现可以获得隧道结的极薄绝缘层，通常利用金属层的氧化膜作为绝缘势垒。例如，通过铝表面的自然氧化、等离子体氧化、热氧化等适当的氧化处理，形成氧化膜。氧化膜的膜厚是根据采用的氧化处理来调节氧化条件，形成数埃()～数十程度的期望膜厚的氧化膜。这样形成的氧化铝由于是极薄的绝缘体，所以具有隧道结的势垒层的作用。如果在上述“金属/氧化膜/金属”的隧道结两侧的金属间施加电压，则与所加电压对应的电流呈现非线性特征，与通常的电阻体呈现的线性不同。因此，具有这种隧道结的电子元件，作为非线性元件来利用。而且，在这种“金属/氧化膜/金属”的结构中，用铁磁性金属置换氧化膜两侧的金属构成的“铁磁性金属/氧化膜/铁磁性金属”，称为“铁磁性隧道结”。对于铁磁性隧道结，已知隧道几率(隧道电阻)依赖于两侧的磁性层的磁化状态。换言之，通过磁场改变两侧磁性层的磁化状态，可以控制隧道电阻。两侧磁性层的磁化方向的相对角度为θ时，隧道电阻R用下式表示。R＝Rs+0.5ΔR(1-cosθ)…………(1)这里，Rs代表施加饱和磁场时的隧道电阻，这时两侧的的2个磁化方向指向磁场施加方向。而且，ΔR表示隧道电阻的改变部分。式(1)意味着在饱和磁场中，2个磁性层的磁化同向时，磁化方向的相对角度θ＝0°(cosθ＝1)，隧道电阻R＝Rs。与此相反，在饱和磁场中，2个磁性层的磁化反向时，磁化方向的相对角度θ＝180°(cosθ＝-1)，隧道电阻R＝Rs+ΔR。没有磁场时，如下所述，在2个磁性层内，一个磁性层作为固定侧磁性层，其磁化方向是固定的，另一个磁性层作为自由磁性层，其磁场方向垂直于固定侧磁性层的磁化方向，成为弱磁区控制。此时，2个磁性层的磁化方向的相对角度θ＝90°(cosθ＝0)，隧道电阻R＝Rs+0.5ΔR。即，两磁性层的磁化方向一致时(θ＝0°)，隧道电阻为最小值R＝Rs，两磁性层的磁化方向相反时(θ＝180°)，隧道电阻为最大值R0＝Rs+ΔR。因此，无磁场时两磁性层的磁化方向如果设定为夹角θ＝90°，则电阻值以θ＝90°的情况为中心而线性地变化，由此得到线性输出。这种现象的起因在于铁磁性体内部的电子的极化。通常，物质中的电子存在自旋状态向上的电子(向上电子)和自旋状态向下的电子(向下电子)。非磁性金属内部由于存在数量相同的向上电子和向下电子，所以非磁性金属整体不显示磁性。但是，磁性金属内部由于向上电子数(N上)和向下电子数(N下)不相同，所以磁性金属整体显示出电子数多的一方的磁性(即，向上磁性或向下磁性)。电子从两侧磁性层的任意一方通过薄氧化膜隧道到另一方的磁性层时，已知这些电子仍旧保持各自的自旋状态进行隧穿。因此，隧穿前端的磁性层的电子状态如果出现空位，则可能存在隧道，但是隧穿前端的磁性层的电子状态如果不出现空位，则不能产生隧道。隧道电阻的变化率(ΔR/Rs)，如下式所示，用作为电子源的磁性层(隧道源)的极化率(称为磁场失真率)和隧穿前端的极化率的乘积表示。ΔR/Rs＝2×P1×P2/(1-P1×P2)………(2)这里，P1一个磁性层的极化率P2另一个磁性层的极化率而且，磁性层的极化率P如下式表示P＝2·(N上-N下)/(N上-N下)………(3)这里，N上磁性金属内部的向上电子数N下磁性层内部的向下电子数磁性层的极化率P取决于铁磁性层金属的种类，但是根据种类也具有接近50％的值，这种情况下，隧道电阻的变化率(ΔR/Rs)可望达到百分之几十。作为现在公知的磁致电阻效应(MR)，各向异性磁致电阻效应(AMR)的电阻变化率是0.6％的程度，而巨磁致电阻效应(GMR)的电阻变化率是百分之几到百分之十几。因此，与这些AMR或GMR相比隧道电阻的变化率特别大，可以期待应用于磁头、磁性传感器等。作为磁头，作为利用GMR的典型例子的自旋阀结构是公知的。本申请人已经提出过在这种自旋阀结构中应用上述铁磁性隧道结的TMR(tunnel-MR)磁头。这种自旋阀结构采用在两层磁性层之间夹入磁性金属层，为了仅固定一个磁性层的磁化方向，在该磁性层上覆盖反铁磁性层的结构。而且，作为铁磁性结，采用如上所述的在两层铁磁性层之间夹入薄氧化膜的结构。图1A是说明铁磁性隧道结构的剖面图。具有铁磁性隧道结的自旋阀结构一般如图1A所示，包括在硅基片1上形成的下部电极2、在下部电极上形成的自由磁性层3、在自由磁性层上形成的第一磁性金属层4、在第一磁性金属层上形成的绝缘层5、在绝缘层上形成的第二磁性金属层6、在第二磁性金属层上形成的固定侧磁性层7、在固定侧磁性层上形成的反铁磁性层8、在反铁磁性层8上形成的上部电极9。由下部电极2、自由磁性层3和第一磁性金属层4组成下部层10，由第二磁性金属层6、固定侧磁性层7、反铁磁性层8和上部电极9组成上部层12。由绝缘层5构成的势垒层11配置在下部层10和上部层12之间将两者隔开。这种自旋阀结构的各个要素例如以下所述。基片1由硅制成。下部电极2和上部电极9分别由Ta膜制成，膜厚50nm。自由磁性层3和固定侧磁性层7分别由NiFe膜制成，膜厚17nm。第一和第二磁性金属层4、6分别由Co膜制成，膜厚3.3nm。绝缘层5由Al-Al2O3膜制成，膜厚1.3nm。反铁磁性层8由FeMn膜制成，膜厚45nm。最初的NiFe膜是两个铁磁性层中的一个，由于磁化方向不固定所以称为自由磁性层(自由层)3。两个Co膜4、6夹持的Al-AlO膜可提供形成铁磁性隧道结的薄氧化铝膜AlO膜所构成的势垒层11。两个NiFe膜中另一个的磁化方向固定，所以称为固定侧磁性层(被钉扎层)7。第一磁性金属层4的功能与自由磁性层3相同，第二磁性金属层6与固定侧磁性层7的功能相同。FeMn膜用于与固定侧磁性层7交换耦合、使固定侧磁性层的磁化方向固定，所以称为反铁磁性层(钉扎层)8。这样的“自由磁性层/绝缘层/固定侧磁性层/反铁磁性层”的结构，如果从外部施加磁场(例如来自记录载体的信号磁场)，则只有自由磁性层3和第一磁性金属层4发生磁化旋转。结果，主要是第一磁性金属层4的磁化方向和第二磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁头，其特征在于：包括铁磁性隧道结元件，该铁磁性隧道结元件具有：磁化方向可自由旋转的自由层；通过势垒层与所述自由层的一面对置、由相邻反铁磁性层固定磁化方向的固定层，所述自由层与高导磁率部件相连接。

【技术特征摘要】
JP 1998-10-12 289781/1998;JP 1998-10-29 308989/1991.一种磁头，其特征在于包括铁磁性隧道结元件，该铁磁性隧道结元件具有磁化方向可自由旋转的自由层；通过势垒层与所述自由层的一面对置、由相邻反铁磁性层固定磁化方向的固定层，所述自由层与高导磁率部件相连接。2.根据权利要求1的磁头，其特征在于，在离开信号检测面的区域，所述自由层与所述高导磁率部件连接。3.根据权利要求1或2的磁头，其特征在于，所述自由层平缓地接近所述高导磁率部件并与其连接。4.根据权利要求1或2的磁头，其特征在于，所述高导磁率部件是离开所述铁磁性隧道结元件而形成的屏蔽层。5.根据权利要求1或2的磁头，其特征在于，所述固定层...

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