专利名称：磁电阻效应元件、磁头、磁悬挂组件和磁还原设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用电流垂直平面(CCP)系统的磁电阻效应元件，包括磁电阻效应元件的磁头、头悬挂组件和磁还原设备。在CCP系统中，传感电流的流向与多个导电层堆叠的方向垂直。
背景技术：
在最近几年中，包含硬盘单元的磁记录设备的尺寸已经迅速地变得越来越小，因此记录密度已经变得越来越高。预计这种趋势将在未来变得越来越强。为了取得高记录密度，不仅需要通过将记录轨道变窄的方法来增加记录轨道密度，而且需要记录时增加记录密度(或线记录密度)。
为了还原介质上所记录的信号，在现有技术中已经使用了感应头。因为记录密度变得越来越高，所以记录轨道宽度就变得越来越窄。因此，记录比特尺寸就变得越来越小，结果感应头就不能获得足够强的还原信号输出。为了克服这个缺陷，已经开发了使用各向异性磁电阻(AMR)效应(AMR)的磁头。以屏蔽还原头的名义提供了这样的AMR磁头。最近，通过利用巨磁电阻(GMR)效应，已经使用了具有很高灵敏度的自旋阀GMR头。即使当记录比特尺寸很小时，使用这些还原头仍然能够使还原信号输出获得足够的电平。
利用隧道磁电阻(TMR)效应元件或利用CPP-GMR元件的磁头开发正在进行，并且将这种磁头投入实际应用的途径也正在进行着调研。在现有平面电流巨磁电阻(CIP-GMR)元件中，传感电流在导电薄膜的表面中流动。相反，在TMR元件或CPP-GMR元件中，传感电流的流向与导电薄膜的表面垂直。
例如，在日本专利申请KOKAI 10-55512(参考文献1)和美国专利5,668,688(参考文献2)中已经公开了CPP-GMR元件。正如这些参考文献所公开的那样，已经研发了具有高还原灵敏度的磁头。即使当记录比特尺寸变得更小时，也能够利用它们使记录的信号得到还原。
在CPP-GMR元件中，已知的是因为CPP-GMR薄膜的电阻在薄膜厚度方向很小，电阻变化量的绝对值很小，因此难以获得很高的输出。就此而论，已经公布了利用电流限制效应实现适合的电阻和高电阻变化率的CPP-GMR元件(例如，参考日本专利申请KOKAI2002-208744(参考文献3)或美国专利6,560,077(参考文献4))。电流限制效应以电流变窄的方式引起散布在主要由绝缘材料组成的层内的导电部分中的电流的流动，，由此增加电阻变化率。此后，产生电流限制效应的层被称为电流控制层。参考文献3已经公开了在由多个导电层组成的单独单元内具有多个电流控制层的磁电阻效应元件。
当使用多个电流控制层时，各个电流控制层的导电部分的位置非常重要。正如参考文献3中 所写的那样，当多个电流控制层的导电部分(针孔)的位置彼此不同时，会增加电阻值本身。然而，最近的研究已经表明，电流限制效应削弱了增加电阻变化率的效应。因为难以通过现有技术将多个电流控制层的导电部分的位置对准，因此必须采取某些适当的措施。
此外，因为电流控制层的厚度存在限制，将高于击穿电压的电压施加到绝缘材料上将引起电介质击穿或击穿。这意味着存在可施加传感电流的极限，因此该元件的输出达到最高极限。因为击穿是引起寿命退化的一个因素，所以它降低了磁电阻效应元件的长期可靠性。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种能够高效地产生高输出而没有削弱电流限制效应的磁电阻效应元件，包含该磁电阻效应元件的磁头，磁头悬挂组件和磁还原设备。
本发明的另一个目的是提供一种通过使其击穿发生的可能性很小从而增加可靠性的磁电阻效应元件，包含该磁电阻效应元件的磁头，磁头悬挂组件和磁还原设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种利用电流垂直平面(CCP)系统的双自旋阀类型的磁电阻效应元件，在所述系统中传感电流的流向与多个导电层的堆叠面垂直，磁电阻效应元件的特征在于包括包含自由层和第一钉扎层的第一单元；包含与第一单元共享的自由层和第二钉扎层的第二单元；在第一单元中提供并限制传感电流流量的第一电流控制层；以及在第二单元中提供并限制传感电流流量的第二电流控制层。
对于这样的一种结构，在所谓的双自旋阀结构中按照一一对应关系为多个单元提供电流控制层，使得一个自由层被夹在二个电流控制层之间。因为电流控制层彼此分离，即使当导电部分的位置彼此不同时，也不可能削弱电流限制效应。与在单个单元内提供多个电流控制层的情形相比，该结构能够使电流控制层彼此分离而不会增加每层的薄膜厚度。这不需要增加元件的尺寸，因此也就避免牺牲记录密度。而且，可高效地产生高输出。在参考文献1至参考文献4中的任何一个参考文献中，都没有具体描述在双自旋阀磁电阻效应元件中提供多个电流控制层的方式。
而且，对于上述的结构，施加在磁电阻效应元件上的传感电流所产生的电压被多个电流控制层分压。这使得能够将施加到各个电流控制层的电压降低，同时引发足够的传感电流流动。因此，能够提升击穿电压而不会增加电流控制层的厚度，使得击穿发生的可能性很小，从而能够取得高输出，同时增加可靠性。
本发明的另一些优点将在下面的描述中说明，或者部分地从描述中变得显而易见，或者通过实践本发明学到这些优点。可以借助于各种手段和此后特别提出的组合实现和获得本发明的这些优点。
被并入详细说明并构成它的一部分的附解了本发明的实施例，并与上述给出的一般性描述和下面给出的详细描述一起用于阐述本发明的原理。
图1是一个横截面图，示意性地示出本发明的磁电阻效应元件的第一个实施例。
图2是一个横截面图，示意性地示出图1中的电流控制层8、9的结构。
图3是一个横截面图，示意性地示出本发明的磁电阻效应元件的第二个实施例。
图4是一个横截面图，示意性地示出了本发明的磁电阻效应元件的第三个实施例。
图5是一个横截面图，示意性地示出了利用图1至图4的每个图中所示的磁电阻效应元件形成的磁头。
图6是一个横截面图，示意性地示出了利用图1至图4的每个图中所示的磁电阻效应元件形成的磁头的另一个例子。
图7是一个硬盘单元的透视图，其中可安装图1至图6的每个图中所示的磁电阻效应元件。
图8是当从介质侧观察时，从图7的硬盘单元的磁头组件160的致动臂155伸出的尖端部分的放大透视图。
图9是一个横截面图，示意性地示出了本发明的磁电阻效应元件的第九个实施例。
图10是一个横截面图，示出的是图9的电流控制层8、9的结构。
具体实施例方式图1是一个横截面图，示意性地示出了本发明的磁电阻效应元件的第一个实施例。在图1中，在衬底上(没有示出)，按以下顺序一层堆叠在另一层上地堆叠以下各层下部电极层1、种子层2、下部钉扎层3、第一电流控制层8、下部非磁性中间层4、自由层5、上部非磁性中间层6A、第二电流控制层9、上部非磁性中间层6B、上部钉扎层7、覆盖层10和上部电极层11。
在下部钉扎层3和下部非磁性中间层4之间的界面上形成第一电流控制层8。上部非磁性中间层6A和上部非磁性中间层6B(上部非磁性中间层6)最初被形成为相同的薄膜，其中采取使得第二电流控制层9被夹在它们之间的方式。图1中的磁电阻效应元件是电流垂直平面(CCP)类型的元件。在这种磁电阻效应元件中，在下部电极层1和上部电极层11之间引起传感电流的流动。
在图1中，主要成份是Ni、Fe和Co的金属磁性材料可主要用于自由层5。例如CoPt这样的硬磁薄膜可主要用于钉扎层3、7。例如Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Ir或Os膜这样的导电薄膜可主要用于非磁性中间层4、6。
在图1中，自由层5被磁化的方向随外部磁场的变化而变化。因此，自由层5的电阻值随外部磁场的变化而变化。这样的结构被称为自旋阀结构。在图1中，提供了两个单元U1、U2，其中每个单元都由自由层、非磁性中间层和钉扎层构成。单元U1、U2共享自由层5。这样的结构被称为所谓的双自旋阀类型。在图1中，这种结构的进一步特征在于为每个单元U1、U2都提供电流控制层。
图2是一个横截面图，示意性地示出了图1的电流控制层8、9的结构。电流控制层21可以主要由具有至少一种从B、Si、Ge、Ta、W、Nb、Al、Mo、P、V、As、Sb、Zr、Ti、Zn、Pb、Th、Be、Cd、Sc、Y、Cr、Sn、Ga、In、Rh、Pd、Mg、Li、Ba、Ca、Sr、Mn、Fe、Co、Ni、Rb和稀土金属中选出的元素的氧化物、氮化物或氧氮化物构成。允许电流控制层21含有从Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Ir和Os中选出、含量在1％至50％的范围内的至少一种金属。
通过对前述元素的合金进行氧化、氮化或氧氮化来形成电流控制层21。氧化、氮化和氧氮化的方法包含自然的氧化方法、离子辅助氧化(氧氮化)方法和离子束放射氧化方法。自然氧化方法是将氧气引入到薄膜形成单元的处理室内的方法。离子辅助氧化(氧氮化)方法是当将氧气引入薄膜形成处理室内时，放射离子例如氩或氮的离子的方法。离子束放射方法是放射氧离子或氮离子到样品表面上的方法。
电流控制层21主要由绝缘层23构成，它将其上层和下层彼此电绝缘。在绝缘材料23中，使上部和下层相互连接的导电材料24以散布的方式提供的。对于这种结构，当电流的流向与薄膜表面垂直时，电流被限制于导电材料24。这种现象产生电流限制效应。这种电流限制效应增加了外部磁场的波动引起的电阻变化的比率。在图2中，在电流控制层21的表面下提供非磁性中间层22A，在电流控制层21的上表面上提供非磁性中间层22B。除此之外，即使任何层与电流控制层21相邻，都能够获得电流限制效应。
在第一个实施例和随后的实施例的磁电阻效应元件中，电流基本上在导电部分流动，磁电阻效应元件具有欧姆特性。因此，例如，电阻对温度的依赖程度不同，这使得能够将磁电阻效应元件与利用隧道效应的元件区别开来。
当电流控制层21的厚度被减少到大约原子的半径时，就不能产生由绝缘材料23分隔电流控制层21的上、下层的状态。因此，控制电流的部分的绝缘性质产生恶化，这削弱了电流限制效应。为了避免这一点，希望电流控制层21的厚度应当为0.4纳米或更厚。相反，当电流控制层21变得太厚时，就难以用导电材料24将电流控制层21的上、下层(图2中的非磁性中间层22A、22B)彼此连接起来。因此，希望电流控制层21的厚度应当为3纳米或更薄，最好是2纳米或更薄。
在电流控制层21中，传感电流基本上在导电材料24中流动。使传感电流流动的电压也施加到绝缘材料23上。当该电压超过绝缘材料23的击穿电压时，将发生击穿，导致该元件的损坏。如上所述，因为难以增加电流控制层21的薄膜厚度，所以难以用电流控制层的厚度提升击穿电压。
在第一个实施例中，为了克服这个问题，通过提供多个电流控制层21来提升击穿电压。在图1中，例如，设电流控制层8的击穿电压为Vb1，电流控制层9的击穿电压为Vb2。因为电流控制层8、9以串联形式电性相连，引起传感电流流动的电压被分布在电流控制层8、9上。如果整个磁电阻效应元件的击穿电压是Vb，则Vb＝Vb1+Vb2。因此，对于第一个实施例，能够增加磁电阻效应元件的击穿电压Vb，因此能够改善其长期可靠性。此外，能够通过增加传感电流来获得高输出。
在自旋阀磁电阻效应元件中，自由层、非磁性中间层和钉扎层形成一组。该组作为一个单元。就一个单元内提供两个电流控制层的情形来说，电流限制效应在两个电流控制层的导电材料24的位置与薄膜形成的方向一致的状态下产生最大作用。然而，用现有的技术难以实现这种状态。在许多情形中，各个电流控制层的导电材料的位置是不规则的，这妨碍了产生最大电流限制效应。
在第一个实施例中，为了克服这个问题，多个单元被提供为提供多个电流控制层，而不是将每个单元中电流控制层的数目限制为一。对于这种结构，即使电流控制层的导电材料的位置彼此不一致，还是能够避免削弱电流限制效应。因此，可以获得高电阻变化率，这使得能够获得高电平输出。已知的是双自旋阀结构本身产生较高电平的输出。因此，上述结构与双自旋阀结构组合以产生高得多的输出。
总而言之，在第一个实施例中，提供了两个单元，其中每个单元都由自由层、非磁性中间层和钉扎层构成。利用双自旋阀结构形成的CPP磁电阻效应元件中，在该结构中两个单元共享单个自由层。为每个单元提供电流控制层，由此提升磁电阻效应元件的击穿电压而不削弱电流限制效应。因此，不仅能够获得高输出，而且也能够增加可靠性。
图3是一个横截面图，示意性地示出了本发明的磁电阻效应元件的第二个实施例。在图3中，与图1所示部分相同的部分用相同的参考数字标明。仅解释与图1不同的部分。在图3的衬底上(没有示出)，按以下顺序一层堆叠在一层上面地堆叠以下各层下部电极层1、种子层2、下部反铁磁层12、下部钉扎层3、下部非磁性中间层4A、第一电流控制层8、下部非磁性中间层4B、自由层5、上部非磁性中间层6、上部钉扎层7、第二电流控制层9、上部反铁磁层13、覆盖层10和上部电极层11。
在上部钉扎层7和上部反铁磁层13之间的界面上形成第二电流控制层9。
在下部非磁性中间层4A和下部非磁性中间层4B之间的界面上形成第一电流控制层8。即，以在下部非磁性中间层4中插入的方式形成第一电流控制层8。
在图3中，磁电阻效应元件的特征在于包含下部反铁磁层12和上部反铁磁层13。在这种情形中，主要由Ni、Fe或Co(即，与自由层5的成份相同)制成的金属磁性材料可以主要用于钉扎层3、7。使用所谓的合成结构可以形成钉扎层3、7，其中例如Ru这样的非磁层被夹在多个磁层之间。
下部反铁磁层12更稳固地稳定下部钉扎层3的磁化方向。上部反铁磁层13更稳固地稳定上部钉扎层7的磁化方向。这种配置不仅产生与第一个实施例相同的效果，而且稳定了电阻变化率。即可以稳定地获得敏感跟随外部磁场变化的电阻变化率，而不管经过多长时间。因此，可以稳定地获得高电平输出。
图4是一个横截面图，示意性地示出了本发明磁电阻效应元件的第三个实施例。在图4中，与图1和图3所示部分同样的部分用同样的参考数字来表示。仅阐述与图1和图3不同的部分。在图4的衬底上(没有示出)，按以下顺序一层堆叠在一层上面地堆叠以下各层下部电极层1、种子层2、下部反铁磁层12、下部钉扎层3、下部非磁性中间层4A、第一电流控制层8、下部非磁性中间层4B、自由层5、上部非磁性中间层6A、第二电流控制层9、上部非磁性中间层6B、上部钉扎层7、上部反铁磁层13、覆盖层10和上部电极层11。提供第二电流控制层9使得它被夹在上部非磁性中间层6A和上部非磁性中间层6B之间。在上部反铁磁层13之下堆叠上部钉扎层7。
图4的这种配置与第一个和第二个实施例产生相同的效应。在非磁性中间层之间插入电流控制层的状态下，电流限制效应产生最高电阻变化率。即在非磁性中间层与电流控制层的两个界面相邻接地进行堆叠的状态下，通过电流限制效应最有效地实现电阻变化率。
图4中的堆叠结构实现了这一点，其中取得比第一个和第二个实施例更高的电阻变化率。因此，当具体实施本发明时，图4的这种配置是最令人满意的，并且产生最高的输出。
图5是一个横截面图，示意性地示出了利用图1至图4中的每个磁电阻效应元件形成的磁头。在图5中，在Al-Ti-C衬底上(没有示出)形成大约1微米厚的NiFe层。该层用作为下部电极和屏蔽层32。在第四个实施例中，在通过光刻和干蚀技术形成下部电极和屏蔽层32的图案之后，下列的薄膜按以下顺序形成，从而形成磁电阻效应薄膜31Ta(5纳米)/Ru(2纳米)制成的种子层2、CoPt制成的下部钉扎层3(10纳米)、通过对堆叠的CuAl薄膜进行氧化而获得的第一电流控制层8(1纳米)、Cu制成的下部非磁性层4(1纳米)、CoFe(1纳米)/NiFe(4纳米)/CoFe(1纳米)制成的自由层5、Cu制成上部非磁性中间层6A(0.5纳米)、通过对堆叠的CuAl薄膜进行氧化而获得的第二电流控制层(1纳米)、Cu制成的上部非磁性中间层6B(0.5纳米)、CoPt制成的上部钉扎层7(10纳米)和Cu(1纳米)/Ta(5纳米)制成的覆盖层10。在这个处理过程形成的磁电阻效应薄膜31具有与图1相同的构造。
接着，在将磁电阻效应薄膜31置于磁场中在270℃的温度下退火10小时之后，经过退火处理的薄膜通过光刻和干蚀法形成图案。在保留用于形成图案的抗蚀剂的情况下，形成Al2O3制成的绝缘层34、NiFe制成的磁层36和IrMn制成的反铁磁层37。接着，在进一步形成绝缘层34之后，该元件被取出。接着，当以与前述热处理中的磁场的方向垂直的方向施加磁场时，该元件在该磁场中在200℃的温度下退火一小时。最后，形成大约1微米厚的NiFe薄膜。通过光刻和干蚀法在NiFe上形成图案，由此产生上部电极和屏蔽层33。
通过上述处理过程形成的磁头用作为第四个实施例的样本。利用通过从图1的配置中去掉第一电流控制层8和第二电流控制层9而获得的磁电阻效应薄膜以类似处理过程形成的磁头被用作为可比较的样本1。此外，利用通过从图1的配置中仅去掉第二电流控制层9而获得的磁电阻效应薄膜以类似处理过程形成的磁头被用作为可比较的样本2。
在每个样本中，对电阻值与外加磁场的相关性进行测量，并确定出电阻变化率。而且，根据I-V特性(电流-电压特性)测量击穿电压。结果列于表1。
表1
在第四个实施例的样本中，电阻变化率和击穿电压都高于可比较的样本1和可比较的样本2。在第四个实施例的样本中，击穿电压具有良好值，高达500mV或更多。在可比较的例子2中，电阻变化率高于可比较的例子1，但它的击穿电压较低，通过这些事实已经证明通过利用具有第一个实施例的堆叠结构的磁电阻效应元件形成磁头，能够使高电阻变化率与高击穿电压相容。
图6是一个横截面图，示意性地示出了利用图1至图4中每个所示的磁电阻效应元件形成磁头的另一个例子。在图6中，在Al-Ti-C的衬底(没有示出)上形成大约1微米厚的NiFe层。该层用作为下部电极和屏蔽层32。在第五个实施例中，在通过光刻技术和干蚀法在下部电极和屏蔽层32上形成图案之后，下列薄膜按以下顺序形成，以形成磁电阻效应薄膜31Ta(5纳米)/Ru(2纳米)制成的种子层2、PtMn(12纳米)制成的下部反铁磁层12、CoFe(4纳米)/Ru(1纳米)/CoFe(4纳米)制成的下部钉扎层3、Cu(0.5纳米)制成的下部非磁性层4A、通过对CuCr的堆叠层(0.7纳米)进行氧化而获得的第一电流控制层8、Cu(0.5纳米)制成的下部非磁性层4B、CoFe(1纳米)/NiFe(4纳米)/CoFe(1纳米)制成的自由层5、Cu(1纳米)制成的上部非磁性中间层6、CoFe(4纳米)/Ru(1纳米)/CoFe(4纳米)制成的上部钉扎层7、通过对CuCr的堆叠层(0.7纳米)进行氧化而获得的第二电流控制层9、PtMn(12纳米)制成的上部反铁磁层13、Cu(1纳米)/Ta(5纳米)制成的覆盖层10。通过该处理过程形成的磁电阻效应薄膜31具有与图3相同的结构。
接着，在将磁电阻效应薄膜31置于磁场中在270℃的温度下进行退火处理10小时之后，通过光刻技术和干蚀法在经过退火处理过的薄膜上形成图案。在保留用于形成图案的抗蚀剂的情况下，形成由Al2O3制成的绝缘层34和由CoPt制成的偏置层(bias layer)35。因此，在进一步形成绝缘层34之后，元件被取出。最后，形成大约厚度为1微米的NiFe薄膜。通过光刻技术和干蚀法在NiFe薄膜上形成图案，由此产生上部电极和屏蔽层33。
通过上述处理过程形成的磁头被用作第五个实施例的样本。使用通过从图3的结构中去掉第一电流控制层8和第二电流控制层9而获得的磁电阻效应薄膜、经过相似的处理过程形成的磁头被用作可比较的样本3。此外，利用通过从图3的结构中仅去掉第二电流控制层9而获得的磁电阻效应薄膜、经过相似的处理过程而形成的磁头被用作可比较的样本4。
在每个样本中，对电阻与外部磁场的相关性进行测量并确定出电阻变化率。而且，根据I-V特性(电流-电压特性)测量其击穿电压。其结果列于表2。
表2
在第五个实施例的样本中，电阻变化率和击穿电压都高于可比较的样本3和可比较的样本4。在第五个实施例的样本中，击穿电压具有良好值，高达500mV或更多一点。在可比较的样本4中，电阻变化率高于可比较的样本3，但它的击穿电压较低。通过这些事实已经证明，通过利用具有第二个实施例的堆叠结构的磁电阻效应元件形成磁头，可以使得高电阻变化率与高击穿电压相容。而且，也已经证明，具有第二个实施例的堆叠结构的磁电阻效应元件比具有第一个实施例的堆叠结构的磁电阻效应元件的性能更好。
本发明的第六个实施例与第五个实施例的不同在于磁电阻效应薄膜31的堆叠结构。在图6中，在Al-Ti-C衬底(没有示出)上形成大约厚度为1微米的NiFe层。该层用作下部电极和屏蔽层32。在第六个实施例中，通过光刻技术和干蚀法在下部电极和屏蔽层32上形成图案之后，下列薄膜按以下顺序形成，以形成磁电阻效应薄膜31由Ta(5纳米)/Ru(2纳米)制成的种子层2、由IrMn(5纳米)制成的下部反铁磁层12、由CoFe(4纳米)/Ru(1纳米)/CoFe(4纳米)制成的下部钉扎层3、由Cu(0.3纳米)制成的下部非磁性层4A、通过对CuAl的堆叠层(0.9纳米)进行氧化而获得的第一电流控制层8、由Cu(0.3纳米)制成的下部非磁性层4B、由CoFe(1纳米)/NiFe(4纳米)/CoFe(1纳米)制成的自由层5、由Cu(0.3纳米)制成的上部非磁性中间层6A、通过对CuAl的堆叠层(0.9纳米)进行氧化所获得的第二电流控制层9、由Cu(0.3纳米)制成的上部非磁性中间层6B、由CoFe(4纳米)/Ru(1纳米)/CoFe(4纳米)制成的上部钉扎层7、由IrMn(5纳米)制成的上部反铁磁层13和由Cu(1纳米)/Ta(5纳米)制成的覆盖层10。通过这个处理过程形成的磁电阻效应薄膜31具有与图4相同的结构。
由上述处理过程形成的磁头被用作第六个实施例的样本。利用通过从图4的结构中去掉第一电流控制层8和第二电流控制层9而获得的磁电阻效应薄膜、经过相似的处理过程形成的磁头被用作可比较的样本5。此外，利用通过从图4的结构中仅去掉第二电流控制层9而获得的磁电阻效应薄膜、经过相似的处理过程形成的磁头被用作可比较的样本6。
在每个样本中，对电阻值与外部磁场的相关性进行测量并确定出电阻变化率，而且，根据I-V特性(电流-电压特性)测量其击穿电压。其结果列于表3。
表3
在第六个实施例的样本中，电阻变化率和击穿电压都高于可比较的样本5和可比较的样本6。在第六个实施例的样本中，击穿电压具有良好值，高达500mV或更多。在可比较的样本6中，电阻变化率高于可比较的样本5，但它的击穿电压较低。根据这些事实已经证明，利用具有第三个实施例的堆叠结构的磁电阻效应元件形成的磁头可以使得高电阻变化率与高击穿电压相容。而且，也已经证明，具有第三个实施例的堆叠结构的磁电阻效应元件比具有第二个实施例的堆叠结构的磁电阻效应元件的性能更好。
图7是硬盘单元的透视图，其中可以安装图1至图6所示的各个磁电阻效应元件。能够在读出磁记录介质上磁记录的数字数据的磁还原设备上安装本发明的磁电阻效应元件。典型的磁记录介质是硬盘驱动器上安装的盘片(platter)。此外，本发明的磁电阻效应元件可以安装在磁记录和还原设备中，该设备也具有将数字数据写入到磁记录介质中的功能。
在图7的硬盘单元150中，旋转致动器用来移动磁头。在图7中，记录盘介质200被安装在主轴152上。该盘介质200由电机(没有示出)按箭头A所示的方向旋转，该方向与驱动单元控制部分(没有示出)的控制信号相对应。可以提供多于一个的盘介质200。这种类型的设备被称为多盘片类型。
在薄膜悬挂154的尖端处提供一个磁头滑块153，其将信息存储到盘介质200或将盘介质200记录的信号还原出来。磁头滑块153在靠近其尖端处具有图5或图6那样的磁头。
盘介质200的旋转使得磁头滑块153的气浮面(ABS)浮在盘介质200的表面上一定距离。本发明可应用到所谓的接触运转单元(contact running unit)，其中滑块与盘介质200相接触。
悬挂154与致动臂155的一端相连，其中致动臂包含固定驱动线圈(没有示出)的线轴(bobbin)部分(没有示出)。将线性电机类型的音圈电机156提供给致动臂155的另一端。音圈电机156由缠绕在致动臂155的线轴部分的驱动线圈(没有示出)，包含永磁铁的磁电路和朝向偏转线圈(facing yoke)构成，提供朝向线圈的方式使得磁铁和偏转线圈彼此相对，而线圈被夹在它们之间。
致动臂155由主轴157上和下部的球型轴承(没有示出)固定，其方式使得致动臂155能够被音频线圈电机156自由转动。
图8是当从介质侧观察时，从图7的硬盘单元中磁头组件160的致动臂155伸出的尖端部分的放大透视图。在图8中，磁头组件160具有致动臂155。悬挂154与致动臂155的一端相连。在悬挂154的尖端处，提供一个包含图5或图6的磁头的磁头滑块153。悬挂154具有用于写入和读出信号的导线164。该导线164与磁头滑块153中的磁头的各个电极电性相连。该导线164也与电极极板165相连。
如图7和图8所示，利用图1至图4中的任何一个的磁电阻效应元件和图5或图6的磁头实现硬盘，使得能够比现有的硬盘单元实现更高的击穿电压和更高的还原输出。因此，能够进一步改善磁记录密度，因而能够更多地增加记录容量。
图9是一个横截面图，示意性地示出了本发明磁电阻效应元件的第九个实施例。在图9的衬底(没有示出)上，按下面的顺序一层堆叠在另一层上地堆叠以下各层下部电极层1、种子层2、下部钉扎层3、第一电流控制层8、自由层5、第二电流控制层9、上部钉扎层7、覆盖层10和上部电极层11。
在下部钉扎层3和自由层5之间形成第一电流控制层8。在自由层5和上部钉扎层7之间形成第二电流控制层9。图9的磁电阻效应元件是电流垂直平面(CPP)类型的元件。在该磁电阻效应元件中，传感电流在下部电极层1和上部电极层11之间流动。
在图9中，主要成份是Ni、Fe和Co的金属磁性材料可主要用于自由层5。例如CoPt这样的硬磁薄膜可主要用于钉扎层3、7。
上述配置的磁电阻效应元件具有自旋阀结构。在图9中，提供两个单元，其中每个单元都由自由层、非磁性中间层和钉扎层构成。这些单元共享自由层5。这种类型的配置被称为双自旋阀类型。该配置的进一步特征在于为每个单元提供电流控制层。在图9中，电流控制层也作为相应单元的非磁性中间层。
图10是一个横截面图，示出的是图9中电流控制层8、9的结构。在图10中，电流控制层41具有与图2的电流控制层21相同的组成，并由相同的处理过程形成。在电流控制层41的顶部和下表面形成磁性层42A和42B。这些层中，下层(42A)用作自由层，而上层(42B)用作钉扎层。除此之外，即使任何层与电流控制层41相邻，都能够获得电流限制效应。
当电流控制层41的厚度被减少到大约原子半径时，电流限制效应就会削弱。因此，希望电流控制层的厚度应当是0.4纳米或更厚。相反，当电流控制层41变得太厚时，难以使用导电材料24将电流控制层41的上层和下层(图10中的磁性层42A和42B)彼此接通。因此，希望电流控制层41的厚度应当是3纳米或者更薄，最好是2纳米或更薄。
对于图10中的配置，能够第一个实施例那样获得高输出。在图9中，导致传感电流的电压被电流控制层8、9分压。因此，对于第九个实施例，也能够增加该磁电阻效应元件的击穿电压Vb，因此能够改善其长期可靠性。而且，通过增加传感电流能够获得高输出。此外，在第九个实施例中，为了获得高得多的击穿电压，可以在每个单元中提供多个电流控制层。
总之，在第九个实施例中，提供两个单元，其中每个单元都由自由层、电流控制层(也作为非磁性中间层)和钉扎层构成。使用双自旋阀结构形成CPP磁电阻效应元件，在该结构中两个单元共享单个自由层。为每个单元提供电流控制层，由此提升该磁电阻效应元件的击穿电压，而不削弱电流限制效应。因此，不仅能够获得高输出，而且也能够增加它的可靠性。
本发明并不限于上述实施例。例如，导电层的堆叠顺序并不限于图1至图4、图9和图10的堆叠顺序。特别是，通过在双自旋阀磁电阻效应元件的包含自由层和钉扎层的每个单元中形成至少一个电流控制层来达到本发明的目的。此外，不必在每个单元中形成非磁性中间层。
而且，可以将图3、4和9中任何一个的磁电阻效应薄膜应用到图5的磁电阻效应薄膜31中。而且，可以将图1和9中任何一个的磁电阻效应薄膜应用到图6的磁电阻效应薄膜31中。
本领域中的技术人员容易想到本发明附加的优点并作出各种修正。因此，就本发明广阔的方面而言并不限于这里所述和所示的这些特殊细节和代表性的实施例。因此，可以进行各种各样的修正而不背离总本发明构思的宗旨和范围。这些总发明构思由附加的权利要求和它们的等同表述进行限定。
权利要求
1.一种利用电流垂直平面(CPP)系统的双自旋阀类型的磁电阻效应元件，在该系统中传感电流的流向与多个导电层的堆叠面垂直，磁电阻效应元件的特征在于包括包含自由层(5)和第一钉扎层(7)的第一单元(U1)；包含与第一单元共享的自由层(5)和第二钉扎层(3)的第二单元(U2)；在第一单元中被提供并限制传感电流的流量的第一电流控制层(9)；以及在第二单元中被提供并限制传感电流的流量的第二电流控制层(8)。
2.如权利要求1中所述的磁电阻效应元件，其特征在于，第一和第二单元中的至少一个包含在自由层和钉扎层之间提供的非磁性中间层(6A、6B)。
3.如权利要求1中所述的磁电阻效应元件，其特征在于，第一和第二单元中的至少一个包含反铁磁层(12，13)，它固定钉扎层的磁化方向。
4.如权利要求1至3中的任何一个所述的磁电阻效应元件，其特征在于，在所述多个导电层之间的界面处提供第一和第二电流控制层中的至少一个。
5.如权利要求1至3中的任何一个所述的磁电阻效应元件，其特征在于，在所述多个导电层的薄膜中形成第一电流控制层和第二电流控制层中的至少一个。
6.如权利要求2中所述的磁电阻效应元件，其特征在于，当第一单元包含非磁性中间层时，在非磁性中间层和自由层之间的界面处提供第一电流控制层。
7.如权利要求2中所述的磁电阻效应元件，其特征在于，当第一单元包含非磁性中间层时，在非磁性中间层和第一钉扎层之间的界面处提供第一电流控制层。
8.如权利要求2中所述的磁电阻效应元件，其特征在于，当第一单元包含非磁性中间层时，在非磁性中间层的薄膜中形成第一电流控制层。
9.如权利要求1中所述的磁电阻效应元件，其特征在于，第一电流控制层和第二电流控制层中的至少一个包含绝缘材料(23)，它将相邻层彼此电性绝缘，以及以分布方式在绝缘材料中形成导电材料(24)，它将相邻层彼此电性相连，以允许传感电流以受限制的方式通过。
10.如权利要求9中所述的磁电阻效应元件，其特征在于，绝缘材料的薄膜厚度小于等于0.4纳米并且大于等于3纳米。
11.一种磁头，其特征在于包括如权利要求1至10中的任何一个所述的磁电阻效应元件。
12.一种磁头悬挂组件，其特征在于包括如权利要求11所述的磁头(153)；以及相对磁记录介质(200)的记录侧支撑磁头的支撑机构(154)。
13.一种磁还原设备，其特征在于包括如权利要求11所述的磁头(153)，并且利用磁头(153)读出记录在磁记录介质(200)上的磁信息。
14.一种磁还原设备，其特征在于包括如权利要求12所述的磁头悬挂组件(160)，并且利用该磁头读出记录在磁记录介质(200)上的磁信息。
全文摘要
利用电流垂直平面(CPP)系统的双自旋阀类型的磁电阻效应元件，其中传感电流的流向与多个导电层的堆叠面垂直，该磁电阻效应元件包括包含自由层(5)和第一个钉扎层(7)的第一单元(U1)、包含与第一单元共享的自由层(5)和第二钉扎层(3)的第二单元(U2)、在第一单元(U1)中提供并限制传感电流的流量的第一电流控制层(9)、在第二单元(U2)中提供并限制传感电流的流量的第二电流控制层(8)。
文档编号G11B5/33GK1595676SQ20041007715
公开日2005年3月16日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月10日
发明者船山知己, 高岸雅幸, 鸿井克彦, 馆山公一 申请人:株式会社东芝