专利名称：利用巨磁阻效应的磁传感器的制作方法
本申请系基于1997年10月1日提交的第9-268996号日本专利申请，本发明需结合该申请的全部内容以作为参考。
本发明涉及到一种利用巨磁阻效应的磁传感器。
磁传感器用于例如用作计算机外部存储设备的硬盘驱动器的磁头中。用于硬盘驱动器的常规磁头基于在一个线圈中感生的电流而探测一个磁场的强度和方向。但是，当记录密度提高时，每比特的记录区面积就降低，从而，其产生的磁场就进一步变弱。在这样弱的外部磁场中，就需要高灵敏度的磁传感器来探测磁场的变化。
众所周知，利用磁阻效应(MR效应)的磁传感器就是这样的高灵敏度磁传感器。MR效应是这样一种现象当把一种磁性材料放到一个外部磁场中时，如果磁场方向和电流方向不同，该磁性材料中的电阻就随着外部磁场强度的变化而变化。利用MR效应的磁传感器要比使用线圈的磁传感器更加灵敏。利用MR效应的磁传感器的使用使得可以以高灵敏度探测外部磁场中的变化，但是，仍需要具有更加高的灵敏度的磁传感器。
其它正在开发中的产品是利用巨磁阻效应(GMR效应)的磁传感器，其特点是其中的电阻变化超过MR效应所造成的电阻变化。作为利用GMR效应的磁传感器，现在正在开发一种具有自旋阀结构的磁传感器。但是，具有自旋阀结构的磁传感器中的MR比小于或等于10％，这使得难以在记录密度不低于20吉位/英寸2的硬盘设备中使用这种传感器。
作为被视为可以用于记录密度不低于20吉位/英寸2的硬盘设备中的磁传感器，现已提出了一种具有通过大量的磁性层和非磁性层的交替层叠而获得的大量的GMR层的磁传感器。在具有大量GMR层的磁传感器中，需要几千奥(斯特)或更强的外部磁场以在通常获得最大MR比的第一峰值处产生一电阻变化，这使得难以在硬盘设备磁头中使用这种磁传感器。而在第二峰值处，MR比约为10-15％，此时产生电阻变化所需的外部磁场仅要约100奥斯特，这使得可以将利用第二峰值处的电阻变化的传感器用作硬盘设备磁头。
为了能够应用于更高的记录密度，MR比必需进一步提高。
本发明的一个目的是提供一种具有多层膜结构的磁传感器，该结构使得可以提高利用巨磁阻效应的磁传感器的MR比。
根据本发明的一个方面，提供了一种磁传感器，它包括一个具有一主表面的支承衬底；一个在所述支承衬底的主表面上、主要由从CoFe、钴和铜中选取的一种物质构成的缓冲层；一个在所述缓冲层之上、通过磁性层和非磁性层的交互层叠而获得的多层GMR层，所述非磁性层主要由铜构成，所述磁性层和非磁性层的厚度使得可以表现出巨磁阻效应。其中，所述缓冲层的厚度与构成所述多层GMR层的每一层的厚度不相同。
通过在所述多层GMR层下面设置所述缓冲层，可以获得更高的MR比。
图1A是属于本发明的一个实施例中的磁传感器的前视图。
图1B是示于图1A中的磁传感器中的多层GMR层的被放大的前视图。
图2是一个曲线图，示出了对应于每一种缓冲层材料的所述多层GMR层的X射线衍射图谱。
图3是一个曲线图，示出了当CoFe用作所述缓冲层时，对应于铜(111)晶面的峰值强度和由CoFe磁性层和铜非磁性层构成的多层GMR层的MR比，它们是所述缓冲层厚度的函数。
图4是一个曲线图，示出了当CoFe用作所述缓冲层时，对应于铜(111)晶面的峰值强度和由Co磁性层和铜非磁性层构成的多层GMR层的MR比，它们是所述缓冲层厚度的函数。
图5是一个曲线图，示出了当铜用作所述缓冲层时，对应于铜(111)晶面的峰值强度和由CoFe磁性层和铜非磁性层构成的多层GMR层的MR比，它们是所述缓冲层厚度的函数。
图1A是属于本发明的一个实施例中的磁头当从其正对磁记录媒体的末端面观察时的前视图。在一AlTiC衬底1上，形成有一个厚度为1.5μm、主要由NiFe或FeN构成的下部屏蔽层2，在该下部屏蔽层2上，形成有一个厚度为70nm、由Al2O3构成的下部间隙层3。所述下部间隙层3可以通过下述处理过程形成将衬底温度设定为室温，然后在氩气氛围中喷镀一Al2O3靶。
在所述下部间隙层3的一部分上，形成有一个台状结构15。该台状结构15是通过下述各层按叙述顺序叠置而成的一个由NiFeCr构成的软磁性交界层(SAL层)4；一个由Al2O3构成的绝缘层5；一个由CoFe、钴或者铜构成的缓冲层9；一个具有巨磁阻效应的多层GMR层10；和一个钽层11。
图1B是所述绝缘层5、缓冲层9、多层GMR层10和钽层11的放大前视图。所述多层GMR层10具有通过磁性层12和非磁性层13的交替叠置而获得的多层结构。磁性层12可以由CoFe、钴或类似材料构成，而非磁性层13可以由铜构成。从SAL层4到钽层11的每一层都可以由下述处理过程形成在氩气氛围中喷镀一个靶，该靶由用来形成膜层的材料制成。在所述SAL层4、绝缘层5、缓冲层9、磁性层12和非磁性层13的喷镀过程中，衬底温度分别维持在室温。从SAL层4一直延伸到钽层11的叠层结构可以由下述处理过程进行构图其中，一抗蚀图用作掩模，且每一层均用氩离子进行研磨。
如图1A所示，由铜构成的电极端子20A和20B位于从SAL层4到钽层11的台状结构15的两侧。覆盖附图中台状结构15的左侧端面和上表面左端区域的电极端子20A与所述多层GMR层10在其左侧端面电连接。覆盖附图中台状结构15的右侧端面和上表面右端区域的电极端子20B与所述多层GMR层10在其右侧端面电连接。电极端子20A和20B的表面分别被钨层21A和21B所覆盖。
所述电极端子20A和20B可以通过去除法(lift off method)而形成。特别地，形成一抗蚀图来覆盖衬底表面将形成电极端子20A和20B的区域以外的区域，然后通过在所述衬底的整个表面上喷镀而形成铜层和钨层。然后，所述抗蚀图上的铜层和钨层被连同抗蚀图一起被去除，从而形成所述电极端子20A和20B。
由Al2O3构成的一个上部间隙层22以这样的方式形成，以使其覆盖衬底的整个表面，包括钨层21A和21B的上表面和钽层11。该上部间隙层被夹在电极端子20A和20B之间的部分厚度可以为70nm。在该上部间隙层22之上，形成有一个厚度为3.5μm、由NiFe或者FeN构成的上部屏蔽层23。
磁盘如此放置，使其正对示于图1A的末端面。该磁盘在所述多层GMR层10的法向运动，同时示于图1A中的末端面和该磁盘之间的间隙几乎恒定不变。在所述多层GMR层10中产生的磁场的方向和强度随该磁盘的磁化状态而变化。
所述多层GMR层10的横向电阻随着垂直于图1A的纸面的磁场的变化而变化。通过在电极端子20A和20B之间加上一个电压并测量流经多层GMR层10的电流，可以探测出所述外部磁场的变化。
下部屏蔽层2和上部屏蔽层23只允许从存储在磁盘上的磁化信息中读出目标磁化信息，而由周围的磁化信息产生的效应被排除了。下部屏蔽层2和上部屏蔽层23之间的距离决定磁盘在磁道方向上的记录密度(线记录密度)。为了确保当施加正向和负向外部磁场时能检测到不同的电阻，SAL层4用来向GMR层施加一偏转磁场。钽层11用来保护GMR层，钨层21A和21B用作电极端子(也可以用铜)。
发明人发现，GMR特性曲线与缓冲层9的厚度和材料密切相关。在CoFe用作磁性层12、铜用作非磁性层13的多层GMR层10中，在Co用作磁性层12、铜用作非磁性层13的多层GMR层10中，铜非磁性层的X射线衍射图谱的(111)晶面峰值强度随着缓冲层9材料的变化而变化。另外，随着对应于铜非磁性层(111)晶面的峰值强度的降低，即，随着(111)晶面定向性的降低，MR比升高。
这里，MR比定义为MR比=(ρMAX-ρMIN)/ρMIN其中，ρMAX和ρMIN分别代表多层GMR层10的电阻率的最大值和最小值。
下面描述缓冲层9的材料和厚度与对应于铜非磁性层13(111)晶面的MR比和峰值强度之间的关系。
图2示出了当多层GMR层形成于一硅衬底上时所获得的一张X射线衍射图谱。横轴代表入射X射线轴与衍射射线轴之间形成的以“度”为单位的角度2θ，纵轴代表在任意角度的X射线衍射强度。所述多层GMR层由十组叠置而成，每一层由一厚度为1.08nm的CoFe磁性层和一厚度为2.16nm的铜非磁性层构成。在该多层GMR层之上，形成有一厚度为5nm的钽层。
图2中的(a)曲线示出了单独的硅衬底的X射线衍射图谱。在约69度的位置，有一个显著的峰对应于硅的(100)晶面。曲线(b)、(c)和(e)示出了当在所述硅衬底和所述多层GMR层之间插入一层厚度为10nm的缓冲层时所获得的X射线衍射图谱。铜、FeCo和钽分别用作所述缓冲层材料。曲线(d)示出了没有缓冲层时的X射线衍射图谱。在约43.5度的位置，出现一个对应于铜(111)晶面的峰。
当钽被用作缓冲层时，对应于铜(111)晶面的峰值强度高于没有缓冲层时的峰值强度。相反地，与没有缓冲层时相比，使用铜或者FeCo作为缓冲层则降低对应于铜(111)晶面的峰值强度。如下文将要描述的，对应于铜(111)晶面的较低的峰值强度可以产生较高的MR比。
图3到图5描述了对应于铜(111)晶面的峰值强度和磁头的MR比，它们是所述缓冲层厚度的函数。所述磁头是通过在一(100)晶面暴露的硅衬底上喷镀一缓冲层，并在该缓冲层上形成一多层GMR层而获得的。所述多层GMR层由10组叠置而成，每一组由一厚度为1.08nm的磁性层和一厚度为2.16nm的非磁性层构成。横轴代表以“nm”为单位的缓冲层的厚度，左侧纵轴代表以“％”为单位的MR比，右侧纵轴则代表当不存在缓冲层时与MR比相关的铜(111)晶面的峰值强度。
图3描述了一种CoFe用作缓冲层和磁性层、铜用作非磁性层的情况。在磁性层和非磁性层的形成过程中，衬底温度分别维持在室温。随着缓冲层厚度的增加，对应于铜的(111)晶面的峰值强度下降。另外，随着缓冲层的厚度从0nm增加，MR比单调上升，直到缓冲层厚度约为2.5-5nm时，MR比取得最大值。随着缓冲层的厚度的继续增加，MR比又逐渐下降，直到当缓冲层厚度超过10nm时，MR比急剧下降。
当缓冲层厚度不大于5nm时，随着铜的(111)晶面的峰值强度的减弱，MR比增加。当缓冲层的厚度超过10nm时，出现铜的(111)晶面峰以外的峰。在前述范围内伴随着铜的(111)晶面的峰值强度的降低的MR比的降低，要归因于铜的晶体结构的改变。
从图3显然可以看到，CoFe缓冲层的厚度最好设在1.3-10nm，更好地，应为2.5-5nm。
当用钴替代CoFe用作缓冲层时，与图3所示相比，MR比和对应于铜(111)晶面的峰值强度表现出同样的变化趋势。
图4描述了一种CoFe用作缓冲层、钴用作磁性层、铜用作非磁性层的情况。在磁性层和非磁性层的形成过程中，衬底温度分别维持在室温。在此情况下，与图3所示的情形相比，可获得更高的MR比。但是，比值随缓冲层厚度而变化的方式与图3所示的情形实质上是一样的。当用钴替代CoFe用作缓冲层时，与图4所示相比，MR比和对应于铜(111)晶面的峰值强度表现出同样的变化趋势。
图5描述了一种铜用作缓冲层和非磁性层、CoFe用作磁性层的情况。在磁性层和非磁性层的形成过程中，衬底温度分别维持在室温。在此情况下，CoFe缓冲层的厚度最好设在1.3-6.3nm，更好地，应为2.5-3.8nm。与图3和图4所示的情形相比，MR比随着缓冲层厚度的增加而增加的更为显著的趋势是因为下述事实流经具有良好导电性的铜缓冲层的电流相对增加了，而流经多层GMR层的电流相对减少了。
当用钴替代CoFe用作磁性层时，与图5所示的情形相比，也可获得更高的MR比。但是，MR比随缓冲层厚度而变化的方式与图5所示的情形实质上是一样的。
尽管参照附图3到5描述了CoFe或者钴用作多层GMR层中的磁性层的实施例，也可以使用其它的磁性材料。从图3-5可以明显看到，在具有用铜作为非磁性层的多层GMR层的磁传感器中，有时候，通过在下伏表面和多层GMR层之间插入一个由CoFe、钴或者铜构成的缓冲层，可以获得比没有缓冲层时更高的MR比。在此情况下，构成所述多层GMR层的磁性层和非磁性层具有这样的厚度，使得它们可以表现出巨磁阻效应，而所述缓冲层的厚度不同于所述磁性层和非磁性层中每一层的厚度。
当CoFe或者钴用作缓冲层时，其厚度最好设在1.3-10nm，更好地，应为2.5-5nm。当铜用作缓冲层时，其厚度最好设在1.3-6.3nm，更好地，应为2.5-3.8nm。
尽管上述实施例是参照Al2O3用作缓冲层9之下的绝缘层5的情形描述的，也可以使用其它的绝缘材料。
虽然本发明是参照上述实施例描述的，但本发明并不局限于此。例如，对于本领域技术人员而言，显然还可以作各种各样的变动、改进、组合，等等。
权利要求
1.一种磁传感器，包括一个具有一主表面的支承衬底；一个在所述支承衬底的主表面上、主要由从CoFe、钴和铜中选取的一种物质构成的缓冲层；和一个在所述缓冲层之上、通过磁性层和非磁性层的交互层叠而获得的多层GMR层，所述非磁性层主要由铜构成，所述磁性层和非磁性层的厚度使得可以表现出巨磁阻效应；其中，所述缓冲层的厚度与构成所述多层GMR层的每一层的厚度不相同。
2.如权利要求1所述磁传感器，其特征在于，所述缓冲层主要由CoFe或者钴构成，厚度为1.3-10nm。
3.如权利要求2所述磁传感器，其特征在于，所述缓冲层的厚度为2.5-5nm。
4.如权利要求1所述磁传感器，其特征在于，所述缓冲层主要由铜构成，厚度为1.3-6.3nm。
5.如权利要求4所述磁传感器，其特征在于，所述缓冲层的厚度为2.5-3.8nm。
6.如权利要求1所述磁传感器，其特征在于，所述多层GMR层的磁性层主要由CoFe或者钴构成。
7.如权利要求1所述磁传感器，其特征在于，还包括一对电极端子，用来在所述多层GMR层中在平行于其表面方向通过一电流。
全文摘要
在一支承衬底的主表面上形成一缓冲层。该缓冲层主要由从CoFe、钴和铜中选取的一种物质构成的缓冲层。在所述缓冲层之上形成一个多层GMR层,后者具有一种叠层结构,这种结构是通过磁性层和非磁性层的交互层叠而获得的。所述非磁性层由铜构成,所述磁性层和非磁性层的厚度使得可以表现出巨磁阻效应。所述缓冲层的厚度与构成所述多层GMR层的每一层的厚度不相同。
文档编号G11B5/39GK1213865SQ98107979
公开日1999年4月14日 申请日期1998年5月8日 优先权日1997年10月1日
发明者濑山喜彦, 饭岛诚 申请人:富士通株式会社