专利名称：磁阻敏感元件及其生产方法
技术领域：
本发明涉及用于磁盘装置等中的磁阻头(MR头)，更准确地说，涉及用于MR头的磁阻敏感元件(MR敏感元件)，在这种敏感元件中巴克好森(Barkhausen)噪音通过磁阻铁磁体层(MR层)和反铁磁体层的交换耦合而有效地被抑制，以及涉及MR敏感元件的生产方法。
近来，磁记录技术取得了很大的进步。例如，要求降低象用VTR or VCR尺寸和重量，还要求降低磁盘装置的尺寸和大大地提高容量。为满足需求，现在高记录密度技术正在多方面地进行研究。作为供高密度记录用的磁头，一种具有作为敏感元件的磁阻元件的MR磁头目前已付诸于实际使用。
已经实施的供高密度记录用的磁头包括使用铁氧体单晶的环状磁头，在这种磁头中读和书写运行都通过一个单磁头，一种其中在磁间隙内具有高饱和通量密度磁铁层的间隙金属(metal-in-gap)磁头，借助于光刻技术制成的感应薄膜头，以及由供书写用的感应薄膜磁头和供读出用的MR磁头组成的MR读/感应写头。研究集中在MR读/感应写头。因为它对高密度记录有适应性。
降低磁盘装置的尺寸以缩小磁记录工具如磁盘的外径将是有效的。然而，这样会降低磁盘和磁头间的相对速度，其结果是，在惯用的电磁感应磁头如环状铁氧体磁头和感应薄膜磁头中要获得充分的输出电平将变得困难。另一方面，由于MR磁头检测至少信号场的一个量和一个方向，所以输出电平是恒定的，它不随磁头和磁盘间的相对速度而定。为此，为满足近来日益增长的对降低磁盘装置尺寸的需求，开发高效MR磁头是必不可少的。
图12是典型的MR读/感应写头的示意图。该图是透视图，它沿磁头的中心线取其左半部的，安置有磁记录工具一面。磁阻元件(MR元件)2安置在衬底20上的底屏蔽1和经两个绝缘层(未示出)的中心屏蔽5之间的空间，各分别与底屏蔽1和中心屏蔽5接触，形成MR读头。在MR读头的上面，安装有感应薄膜写头，它包括一个由顶部写磁极7和中心屏蔽5以及写线圈6组成的闭合磁路。两个磁头借助于中心屏蔽5在磁性上彼此绝缘，以避免其间的磁干扰。
图13是有代表性的MR头的MR敏感元件面向磁记录工具一面的示意图，。MR元件2具有多层结构，它包含由磁阻材料如NiFe基合金等制成的铁磁体MR层3，由具有较高电阻的非磁性材料如Ta制成的间隔层9，由软磁材料如NiFeNb、NiFeCr等制成的软相邻层(SAL)8以及反铁磁体层30，它与MR层3直接接触，由NiMn基合金等制成。SAL层8对MR层3提供横向偏磁场(transverse biasfiled)以保持读运行线。反铁磁体层30与MR层3形成反铁磁体交换耦合(exchange coupling)以消除巴克好森噪声。电极层32连接到反铁磁体层30，当信号场作为外磁场加到MR元件时，MR层3的电阻下降。其结果，来自电极层32的恒电流的压降变小并且电压降的变化是作为相应于信号场的电信号而检测的。参考数12、21和23表明绝缘层而参考数18表明书写间隙。
通常在使用MR头时所遇到的难题是由于巴克好森噪音而使S/N比值下降。检测磁场的MR头的敏感元件具有磁阻铁磁体材料膜，通常是坡莫合金(NiFe)。磁性物质如NiFe膜等是以闭合多磁畴态形式存在的，以便使磁能降到最小值。当信号场由磁记录工具加到该处时，磁畴开始旋转以引起壁(wall)运动。当壁运动由于杂质或NiFe膜中的缺陷而被抑制时，磁阻应答曲线变得不连续而显示磁滞。结果，输出的波形变形而引起噪音。由此，产生巴克好森噪音。
为了抑制巴克好森噪音，有效的是，在MR层的纵向感应出强磁性的各向异性，从而造成MR层中的单畴态。Hempstead等人在IEEE Trans.Magn.，MAG-14，521(1978)中提出将NiFe膜中的自旋校直到FeMn膜中的自旋方向的方法。在该方法中，将NiFe铁磁体膜的自旋通过利用界面交换相互作用而与溅射在NiFe膜上的反铁磁体γ-FeMn膜的自旋在磁性上耦合。然而，由于FeMn膜易腐蚀而且NiFe/FeMn膜的交换耦合场(Hua)趋于零时的截止温度(TB)比较低，即，150℃或更低，所以对于MR磁头的操作条件和环境必须严格地加以控制。
Tsann Lin等人在Appl.Phys.Lett.，65，(9)，1183(1994)中提出使用NiMn膜以代替FeMn膜。在该文中还提出TB为400℃或更高，Hua为100Oe或更高，和耐蚀性优于FeMn膜。尽管作为沉积的NiFe/FeMn膜的Hua为20-30Oe，但作为沉积的NiFe/WiMn膜的Hua仅为几个Oe，即NiMn层与FeMn层相比与NiFe层产生了很弱的交换耦合。根据其进一步报道在高于240-250℃的温度下热处理至少数小时，对提高NiFe/NiMn膜的Hua是必要的。
然而，发明者们已发现NiFe/NiMn膜的Hua在某种情况下可充分地提高，但是，在另一情况下即使经过了足够的热处理也不这样提高。
因此，本发明的目的在于提供用于MR头中的MR敏感元件及其生产方法，所述MR敏感元件具有高的和稳定的Hua的NiFe/NiMn层以有效抑制巴克好森噪音。
按照本发明，用于MR磁头使用的MR敏感元件包括磁阻铁磁体层(MR层)和提供直接与MR层表面接触的反铁磁体层。MR层具有面心立方(fcc)结构。反铁磁体层的晶体结构在MR层和反铁磁体层的界面附近是fcc结构，并且向面对界面的表面连续变化为面心四方体(fct)结构。
根据下列如在附图中所说明的详细描述本发明，本发明的上述和其它目的、特征和优点将会更明白。
附图简述图1是表示本发明MR敏感元件的晶体结构示意截面图；图2是表示在NiFe/NiMn层界面上的外沿生长的暗场电子显微镜图象；图3a是表示热处理前NiFe/NiMn层的界面的亮场电子是显微镜图象；图3b是表示热处理后NiFe/NiMn层界面的亮场电子显微镜图象；图4是表示衬底/Ta/NiFe/NiMn/Mo层中柱状晶体生长的亮场电子显微镜图象；图5是供本发明MR敏感元件用的膜叠层结构的截面示意图；图6是对比用的另外薄膜叠层结构的截面示意图；图7是表明底层Ta层对NiFe/NiMn层的Hua的影响曲线图；图8表明各种薄膜叠层结构的X-射线衍射图；图9是表明处理NiFe表面腐蚀时间和NiFe/NiMn层的Hua之间的关系曲线图；图10是表明NiFe薄膜制造过程中施加的DC偏压和NiFe层(111)平面衍射强度之间关系曲线图；图11是表明NiFe/NiMn层的Hua与NiFe膜制造过程中施加的DC偏压相关的曲线图；图12是表示有代表性的MR磁头透视图；图13是表示有代表性的MR磁头敏感元件的截面图14是表明热处理后SiO2层对NiFe/NiMn层Hua的影响曲线图；图15是表明本发明MR磁头与对比MR磁头的COV的曲线图。
根据发明者们的研究，现已发现当NiFe层具有底层Ta层时NiFe/NiMn层的Hua可通过热处理而能保证得到提高。图7表明NiFe/NiMn层在有或没有底层Ta层的情况下，在氮气氛中约290℃下进行热处理约6小时后的Hua(Si/SiO2(1μm)/NiFe(30nm)/NiMn(50nm)/Mo(10nm)膜和Si/SiO2(1μm)/Ta(20nm)/NiFe(30nm)/NiMn(50nm)/Mo(10nm)膜)。Hua是用振动探针式磁强计(VSM)测量的。如图7所示，尽管在底层Ta层存在下Hua约112Oe，但是当NiFe层没有底层Ta层时其Hua仅为原来的一半(60Oe)。
为了解释在没有底层Ta层时Hua下降的原因，使多层的Si/SiO2(1μm)/NiFe(30nm)膜和Si/SiO2(1μm)/Ta(20nm)/NiFe(30nm)膜通过使用装有广角测角器和Cu X-射线管的X-射线衍射仪(由Rigaku Denki K.K.制造)按照2θ/θ方法在管电压为50KV和管电流为40mA的条件下，进行X-射线衍射测量，所得到的X-射线衍射花样示于图8中。正如从图8所见，具有底层Ta层的Si/SiO2/Ta/NiFe膜显示的X-射线衍射强度大于没有底层Ta层的Si/SiO2/NiFe膜约30倍。根据这个结果，很明显当NiFe层具有底层Ta层时，具有fcc结构的NiFe层的(111)面的取向度(orientation degree)极大地提高。
NiFe层的(111)面的取向被认为与在NiFe/NiMn层的界面上的共格性(coherency)密切相关。当NiFe层的(111)面取向度高时，沉积的NiMn就会加强在NiFe表面上外沿生长，导致NiMn层与NiFe层高的交换耦合。
本发明者们希望当NiFe(111)面的取向度进一步提高时，将更加促进外沿生长和将更加提高Hua。因为已知取向度可通过除去Si衬底上的SiO2层并在Si衬底上直接形成Ta膜或NiFe膜而能提高，将制成的Si/NiFe膜和Si/Ta/NiFe膜都进行上述同样的X-射线衍射的测量。衍射图示于图8中。正如由图8所见，Si/SiO2/NiFe膜的衍射强度能提高到与Si/SiO2/Ta/NiFe膜通过消除SiO2层提高的相同程度。此外，Si/Ta/NiFe膜的衍射强度是大于Si/SiO2/Ta/NiFe膜的两倍或更多倍。
多层的Si/Ta(20nm)/NiFe(30nm)/NiMn(50nm)/Mo(10mn)膜和Si/SiO2(1μm)/Ta(20nm)/NiFe(30nm)/NiMn(50nm)/Mo(10nm)膜在290℃下氮气氛中热处理6小时后，用VSM测量NiFe/NiMn膜的Hua。结果列于图14中。从该结果可见，Si/SiO2/Ta/NiFe/NiMn/Mo膜的Hua为114Oe，而Si/Ta/NiFe/NiMn/Mo膜的Hua特别小，即仅有18Oe，尽管它的NiFe(111)面的取向度有着显著地提高。
如上所述，正如由图7所见，NiFe(111)面的高取向度对NiFe/NiMn膜达到高Hua是必须的。然而，正如由图14所见，过高的取向度未必能提供高的Hua。
根据对MR层和反铁磁体层的晶体结构更详尽地研究，发明者们发现必须满足至少两个必要条件才能提高Hua，即，(1)必须具有fct结构的反铁磁体层，和(2)必须在NiFe/NiMn膜的界面上外沿生长，以保证其良好的共格性以及界面附近的反铁磁体层应具有fcc结构。
为了满足这两个条件(1)和(2)，NiMn层必须具有二元晶体的结构。如此的双晶体结构图示于图1中。
如上所述，NiFe(111)面的高取向度促进NiMn层在NiFe表面上的外沿生长。这一点用实验方法通过在透射式电子显微镜(TEM)下观察Si/SiO2(1μm)/NiFeCr(SAL，20nm)/Ta(5nm)/NiFe(30nm)/NiMn50nm)/Mo(10nm)膜而得到证实。其结果示于图2中。作为外沿生长的结果，希望与NiFe层直接接触的反铁磁体NiMn层能具有与NiFe层相同的fcc结构，也希望晶格常数的差距变小。然而，业已知晓反铁磁体本体NiMn具有面心四方体(fct)结构(J.S.Kasper等人.，J.Phys.Chem.Solids Pergamon Press.，11，231(1959)。因此，当认为显示反铁磁性的NiMn具有fct结构时，可以假定形成Hua的NiMn膜具有fct结构。
由上述讨论过的Tsann Lin等人所提出的，作为沉积的NiFe/NiMn层不会产生或仅产生很小的Hua。这是因为作为沉积层状结构的NiMn层的整体部分具有类似于NiFe层的fcc结构。因此，反铁磁体NiMn层中的部分fcc结构必须变成fct结构以便在MR层中产生Hua。这样一种fcc结构变成fct结构的变化通过热处理可以实施的。这一点可通过在具有图5结构的薄膜层状结构所摄取的TEM照片而得到证实，如图3a和3b所示。制备薄膜层状结构可通过使用在约70Oe的均匀外磁场下的RF磁控管溅射装置以便提供具有单向磁性的各向异性NiFe的MR层。直径为6寸的各靶是用于室温的具有SiO2层(1μm厚)的Si晶片上(直径3寸，厚0.4mm)在Ar压力0.2-0.5Pa下的同一室内连续沉积多层的Ta(20nm)/NiFe(30nm)/NiMn(50nm)/Mo(10nm)膜。成膜前的极限压力为2×10-5Pa或以下。对各层所施加的功率密度为1.6/2.2/1.1/2.2W/cm2。
正如由图3a所见，热处理前NiFe/NiMn界面是不清楚的而且认为是均匀的，在290℃热处理6小时后，由图3b证实界面成为清楚。这意味着晶体结构发生变化。因此，尽管沉积时的NiMn层仅有fcc结构，但fcc结构通过热处理而连续变化成fct结构从距离NiFe/NiMn界面很小一段距离直到面对界面的面，同时在界面附近保留fcc结构。其结果，NiMn层显示反铁磁性而在MR层中产生Hua。由于NiMn层的晶体结构朝着与NiFe/NiMn界面相反的上表面方向而由fcc结构连续变成fct结构。所以在fcc结构和fct结构间没有清楚的界限。
如上所述，当NiFe(111)面的取向度过高时，NiFe/NiMn层的Hua没有提高到足够的量。这种降低的理由可能是NiMn层的fcc结构甚至在热处理后仍保持没有变成fct结构。为了证实这一点，以与上述相同方式制备具有图6结构的薄膜层状结构，除了使用没有SiO2层的Si晶片作衬底，和薄膜层状结构在290℃下热处理6小时。如此处理过的薄膜层状结构的TEM照片示于图4中。正如由图4所见，柱状晶体从NiFe层经NiMn层延伸至保护Mo层。因此，可以假设当NiFe(111)面的取向度过分高时虽然有热处理而fcc结构向fct结构的变化受到抑制。因此没能使Hua提高。
根据上述，有必要调整NiFe(111)平面的取向度在能使NiMn层在NiFe层的表面上外沿生长的范围内，而且还不妨碍NiMn层由fcc结构变化为fct结构。也就是，重要的是要获取足够实际应用量的Hua以调整X-射线衍射强度到Si/SiO2/Ta/NiFe膜的水平，优选3000-8000cps。
本发明的MR敏感元件可按下述生产。
对应于各层如底层、铁磁体MR层和反铁磁体层的各靶通过RF磁控管溅射法按现有技术已知的方式在衬底上连续溅射以沉积多层膜。用于MR层的材料是NiFe基的合金，而用于反铁磁体层的是NiMn基合金。对于MR层的厚度优选5-50nm而对于反铁磁体层为20-100nm。底层是由Ta制成且其厚度为3-20nm。底层Ta层可以通过由SiO2或Al2O3制成的且具有0.1-1μm的厚度的间隔层而置于下面。在反铁磁体层上，可再沉积上由Mo制成的保护层且其厚度为3-20nm。向MR层提供横向偏压场且具有5-50nm厚度的软相邻层(SAL)是由Ni-Fe基合金如NiFeCr、NiFeNb等在间隔层的下面形成，它处于底层和间隔层之间，或两个底层Ta层之间。
如此制备的沉积多层膜再于230-300℃下的氮气氛中热处理3-6小时，以使反铁磁体中的部分fcc结构向fct结构变化以获得本发明的MR敏感元件。
发现在沉积NiMn层前清洁NiFe层的表面，对促进NiMn层的外沿生长是有效的。清洁可通过腐蚀NiFe层表面而进行，更具体地说，是通过施加约200W的功率和约0.2Pa的Ar气压下的离子腐蚀而进行。腐蚀时间和Si/SiO2(1μm)/Ta(20nm)/NiFe(30nm)/NiMn(50nm)/Mo(10nm)膜的Hua的相互关系示于图9中。由于NiFe层的厚度降低取决于腐蚀时间，厚度的减少可通过调整沉积时NiFe层的厚度来进行弥补，因而在腐蚀处理后使NiFe层具有预定的厚度。厚度的减少还可通过在预定沉积的NiFe层清洁过的表面上再沉积NiFe层13而进行弥补。从图9可以看出Hua随着腐蚀时间的延长而增加。因此，很显然NiFe层表面的清洁有助于NiMn层的外沿生长。
另外，发现在衬底加偏压时溅射可改进沉积膜的特性。在NiFe膜的制造过程中向衬底施加的DC偏压和NiFe(111)面的衍射强度之间的关系示于图10中(Si/SiO2(1μm)/Ta(20nm)/NiFe(30nm)膜)。由于X-射线衍射强度增加，所以定向度会随着偏压负增加而变得更高。正如图11所示，Hua也随偏压负增加而增加，而且效果在一40V或-40V以下时最为显著。
使如此生产的本发明MR敏感元件，经绝缘层而被置于底屏蔽和中心屏蔽间的间隔中间以获得MR磁头。
通过改变MR条结构和MR条的薄膜制造方法，制造树形网络MR磁头(读出磁道宽3μm，MR条高2μm，读间隙长0.32μm和Al2O3绝缘层)以评价MR磁头输出的振幅协方差(COV)。用于各MR磁头的MR条结构示于下面。
实施例1Al2O3/Ta(20nm)/NiFeCr(20nm)/Ta(5nm)/NiFe(30nm)/NiMn(50nm)/Mo(10um)实施例2Al2O3/Ta(20nm)/NiFeCr(20nm)/Ta(5mm)/NiFe(30nm)/NiMn(50nm)/Mo(10um)对比例Al2O3/NiFeCr(20nm)/SiO2(5nm)/NiFe(30nm)/NiMn(50nm)/Mo(10um)在实施例1和对比例中，各层薄膜是连续沉积的。在实施例2中，沉积的NiFe层的表面通过反向溅射60秒钟而腐蚀，然后在处理过的NiFe层上再沉积直到厚度达到30nm。NiMn层和Mo层连续连续沉积在如此形成的NiFe层上。
COV值可通过信号111…10000次读/写工作后输出电平的标准偏差除以平均值而得到，而且它表示输出的散射量。COV值越低，MR磁头的特性越好，并且在实际应用中要求COV值为2％或以下。
正如从图15中所见，具有本发明MR敏感元件的MR磁头(实施例1和2)显示出小的COV值，即，低于2％，这一点表明用本发明可以达到MR磁头输出的优良稳定性。
如上所述，与常规磁头相比，本发明能对具有交换耦合的反铁磁体层的磁阻磁头的性能进行大大的改进。更具体地说，通过控制与铁磁体MR层直接接触的交换耦合的反铁磁体层的晶体结构，可使MR层中的交换耦合场的强度提高，例如，当NiFe层的厚度为30nm时，本发明可以获得100Oe或100Oe以上的交换耦合场。如此高的交换耦合的结果，作为磁阻磁头固有问题的巴克好森噪音，能被消除而使它易于产生具有优良的MR磁头输出稳定性的MR磁头。
权利要求
1.用于磁阻磁头用的磁阻敏感元件，包括磁阻铁磁体层和直接与所述磁阻铁磁体层接触的反铁磁体层，其中所述磁阻铁磁体层具有面心立方结构而所述反铁磁体层具有能连续从面心立主结构向面心四面体结构变化的双晶体结构。
2.按权利要求1的磁阻敏感元件，其中所述反铁磁体层在所述磁阻铁磁体层和所述反铁磁体层的界面附近具有面心立方结构。
3.按权利要求1的磁阻敏感元件，其中所述磁阻铁磁体层和所述反铁磁体层的界面由于所述反铁磁体层的外沿生长就晶体结构而论是连续的。
4.按权利要求1的磁阻敏感元件，其中所述磁阻铁磁体层含有NiFe基合金而所述反铁磁体层含有NiMn基合金。
5.按权利要求1的磁阻敏感元件，其中所述磁阻铁磁体层下面置有非磁性和绝缘底层，绝缘底层提高所述磁阻铁磁体层的(111)平面取向度至这样的一种范围，致使所述反铁磁体层在所述磁阻铁磁体层的表面上能外沿生长并且在所述反铁磁体层中不抑制晶体结构从面心立方结构向面心四面体结构的变化。
6.按权利要求5的磁阻敏感元件，其中所述底层的层包含Ta。
7.按权利要求5的磁阻敏感元件，其中所述含Ta层的底层下面再置有含SiO2或Al2O3的间隔层。
8.用于生产包括磁阻铁磁体层和与所述磁阻铁磁体层直接接触的反铁磁体层的磁阻敏感元件的方法，其中所述磁阻铁磁体层是在衬底加DC-偏压至-40V或更低的同时沉积的，所述磁阻铁磁体层的表面用腐蚀处理进行清洁，并此后使所述反铁磁体层在所述磁阻铁磁体层的所述清洁过的表面上沉积。
9.按权利要求8的方法，其中所述磁阻铁磁体层在所述腐蚀处理后进行薄膜制造工艺以便达到所述磁阻铁磁体层的预定厚度。
全文摘要
用于MR磁头的磁阻(MR)敏感元件包含磁阻铁磁体层(MR层)和与MR层表面直接接触的反铁磁体层。MR层具有面心立方(fcc)结构。反铁磁体层的晶体结构在MR层和反铁磁体层界面附近是fcc结构，而且朝着面对界面的表面连续变成面心四面体(fct)结构。MR层和反铁磁体层的界面就晶体结构而言由于反铁磁体层在MR层表面上的外沿生长而是连续的。
文档编号G11B5/39GK1156306SQ9611450
公开日1997年8月6日 申请日期1996年11月4日 优先权日1996年11月4日
发明者黑泽久夫, 三俣千春, 小林俊雄, 野口伸 申请人:日立金属株式会社