专利名称：巨磁阻磁头、其制造方法及使用该磁头的磁盘驱动器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种GMR磁头、一种制造这种GMR磁头的方法及使用该GMR磁头的磁盘驱动器。
在20世纪90年代，磁盘上信息的位密度得到极大提高每十年提高了100倍。如果今后保持这个速度发展下去，到2000或2001年位密度将达到10G位/平方英寸。从近来巨磁阻(GMR)磁头技术的发展来看会实现这个目标。
图1显示了在磁盘驱动器中使用GMR磁头的复合磁头112的整体布置，磁介质114如磁盘正对着复合磁头112放置。此处显示的复合磁头112是具有背负式(piggy backed)结构的归并型磁头，它包括一个写头118和一个读头116，其中写头118位于读头116的背面，读头116的上部屏蔽层120同时作为写头118的底部写入磁体120(底层磁芯)。
图1中GMR磁头100包含在读头116中。该GMR磁头包括GMR薄膜122、一对电极124a和124b、分别放置在电极对对立面的底部读屏蔽层98和上部读屏蔽层120。
写头118包括写线圈128、围绕写线圈128的有机绝缘层130、磁间隔膜132、置于有机绝缘层130和磁间隔膜132上面的上部写磁极134以及置于有机绝缘层130和磁间隔膜132下面的底部写入磁极120。
图2显示了GMR100磁头的整体布置。如图2所示，该GMR磁头100包括一个旋转阀膜(spin valve film)122，旋转阀膜122包括形成于衬底101上的自由磁层102、中间层103、被锁定磁层104和反铁磁层或抑制层105，衬底101包含形成于底部读屏蔽层(没有画出)上的底部间隔膜(没有画出)。GMR磁头100包括旋转阀膜122和最好至少与旋转阀膜122的自由磁层102相应端部相连的一对电极124a和124b(图1中所示)。
图3A-D说明旋转阀膜122的电阻如何随着其中磁场强度改变而变化。如图3A所示，旋转阀膜122有4层。磁层(自由和被锁定)102和104由中间的非磁性层103分开。被锁定磁层104上面是反铁磁层105，因此在退火后，与反铁磁层105邻接的层104中的磁场强度Mp方向被锁定为与反铁磁层105的边界或交界区域处磁场强度方向一致。
另一方面，由中间层103隔开的自由磁层102磁场强度方向不固定。换句话说，被锁定磁层104具有高的矫顽力或抗磁力，而自由磁层102具有低的矫顽力或抗磁力，如图3C所示。
在外部磁场影响下，自由磁层102被磁化为与外部磁场方向一致，在一个方向获得某一磁场强度Mf。众所周知，当自由磁层102和被锁定磁层104的磁场强度方向成180°角(即它们指向相反的方向如图3A所示)时，旋转阀膜的电阻达到最大值。
图4A和4B说明了GMR磁头所依据的原理。如图4A所示，如果自由磁层102和被锁定磁层104磁场强度方向相反，那么当电子由一层运动到另一层中时，相对较多数目的电子可能被中间层(无磁层)和磁层的交界层散射，从而表现出高的电阻率。
如果如图4B所示，自由磁层102的磁场强度方向和被锁定磁层104的方向一致时，通过中间层(无磁性)和磁层的交界层时只有相对较少数目的电子被散射。进一步解释为，每个运动电子或者旋转加速或旋转减慢，但是其中的一个受到给定磁场作用散射较为严重。图4A和4B中，电子已经发生了散射，但是图4B所示的散射情形比图4A所示的散射情形发生的可能性要小一些，因而可以控制电子从被锁定磁层104流入自由磁层103。
如图3D所示，具有旋转阀结构的GMR元件的自由磁层中磁场强度Mf随外加磁场而变化，在此例中所示的代表性信号是磁场Hsig。磁场强度的变化反过来会导致GMR元件的旋转阀膜122电阻变化，这与自由磁层102磁场强度Mf和被锁定磁层104磁场强度Mp的夹角θ的余弦成比例，θ为0°-180°。
相应地，使用这种GMR膜122的磁头中，在没有外加磁场作用时，自由磁层102中磁场强度Mf与被锁定磁层104中磁场强度Mp相垂直(90°)，在外加磁场(如信号磁场Hsig)作用下时，在0°到180°范围内电阻将基本上呈线性对称地变化，并且在θ＝90°时具有平均值。电阻的对称响应使得容易处理来自磁盘驱动器的读信号。
然而，在实际旋转阀元件中，自由磁层102不仅受外加信号磁场Hsig的影响，而且还受一些噪声场的影响，噪声场由很多因素造成例如自由磁层102和被锁定磁层104中磁场的交换耦合、被锁定磁层104端面呈现出的磁极产生的磁场以及流过GMR元件的检测电流产生的磁场。结果造成层102中的磁场强度偏离X方向(沿元件宽度方向)，从而引起元件电阻变得基本上是非线性和非对称的。
为了使自由磁层102中的磁场强度Mf在没有外加磁场时定向为X轴方向(沿层的宽度方向)，需要施加一个称为偏置磁场的附加磁场以抵消噪声场的Y分量。
偏置磁场依赖于噪声场的幅度和方向。GMR磁头元件最好设计得使该偏置磁场的所需值减小。
另一方面，GMR磁头的宽度w(即Y轴方向)由相应磁记录介质的记录位密度决定，因而旋转阀元件在磁记录介质上可能覆盖一个磁道(图1)并且准确读取介质上所存储的位数据。因此对于位密度大的记录磁介质GMR磁头的宽度必须具有足够的小尺寸。
需说明的是如果元件高度h(Y方向大小)比宽度小的多，那么自由层102中的磁场强度Mf趋向于被锁定在纵向(X方向)。
因此，最好使高度h等于或小于宽度w。另外为了保证信号磁场Hsig进入整个元件也最好使高度h小于宽度w，否则信号磁场Hsig不能穿透元件Y方向。
在实际使用的大小为几微米×几微米的旋转阀元件中，如果随着介质比特密度增加高度h减小，那么被锁定磁层104和自由磁层102磁场强度的静止磁耦合(负交换耦合)对于校准自由磁层120中与被锁定磁层104磁场强度反方向平行的磁场强度Mf就起着较为重要的作用，从而难于找到合适偏置点。
另一方面，如果只减小GMR元件的宽度，高度保持不变，那么自由磁层102中靠近磁记录介质的区域处磁场强度随外加信号磁场Hsig而旋转，而远离磁介质的区域处磁场强度不随Hsig旋转因此电阻不发生改变。结果GMR元件的远距离区域对读取信号贡献很小，因此磁头整体读灵敏度降低。
为了实现更高位密度，GMR元件尺寸一方面要尽量小，另一方面为了找到合适的偏置磁场其高度要足够大。因此，作为第二个最好的选择，给定较小的GMR元件高度，为了找到最佳偏置点可以试图在一个方向提供最小检测电流以消除噪声磁场。然而，检测电流总有一定限制，因此单独由检测电流产生偏置磁场进行改进不会彻底解决问题。
一种选择是，可以减小被锁定磁层104的厚度从而降低对自由磁层中磁场强度的磁场影响。然而，不推荐使用这种方法，因为被锁定磁层104必须有一最小厚度保证使其磁场强度被锁定，结果使得不能随意减小磁化。
另一种选择是，在自由磁层102和被锁定磁层104间插入一个薄的中间层(非磁层)103来加强两个磁层间的铁磁耦合以补偿静态磁耦合。中间层厚度必须最多为10埃，因而这是不实用的。
具有双旋转阀结构的GMR元件具有较大的磁阻效应从而读灵敏度提高，这在后面第三个实例中将详细叙述。然而，具有两个被锁定磁层的元件也呈现出从那里漏泄的较大磁通量而影响自由磁层中的磁场强度。在此情况下，漏泄磁场不能通过上述方法消除或抑制。
如上所述，必须找到一种基本上将偏置磁场减少到所需水平的新的方法。
本发明的一个目的是提供一种新的没有漏磁场的GMR磁头。
本发明的另一个目的是提供一种通过减小由GMR磁头的被锁定磁层在自由磁层中产生的静态磁场可以关于一个适当设置的偏置点动作的GMR磁头。
本发明进一步目的是提供一种新GMR磁头的制造方法。
本发明再进一步目的是提供一种通过减小由其被锁定磁层在自由磁层中产生的静态磁场而可以在合适设置的偏置点动作的GMR磁头的制造方法。
本发明再进一步目的是提供使用任一种上述GMR磁头的磁盘驱动器。
最后本发明的一个方面是提供包括至少含有自由磁层、中间层和被锁定磁层的GMR元件的GMR磁头，其中所述被锁定磁层在所述元件的高度方向比所述自由磁层长，从而减小所述的自由磁层中由被锁定磁层引起的磁场。
采用这种布置，可能减少由被锁定磁层磁极发出进入自由磁层的磁场磁力线数目，这样由被锁定磁层引起进入自由磁层的有害漏磁场得到削弱，相应地会导致上述偏置磁场的减小。
依照本发明的另一个方面，提供一种GMR磁头包括包括GMR元件的检测部分、和独立布置在所述元件侧面高度方向的磁场矫正部分，其中，所述检测部分至少包括自由磁层、中间层和被锁定磁层，磁场矫正部分至少有一个布置在所述元件侧面高度方向的独立磁层，从而减小由被锁定磁层在自由磁层中引起的磁场。
仍然依照本发明的另一方面，提供一个GMR元件包括包含GMR元件的检测部分、和独立布置在所述元件侧面高度方向的磁场矫正部分，其中，所述检测部分至少包括自由磁层，中间层和被锁定磁层，所述磁场矫正部分结构基本与检测部分相同。
应当指出，磁场矫正部分和检测部分有相同的结构并且在GMR元件高度方向并排放置。因而磁场矫正膜可以较容易与传感器膜一起形成。
本发明中被锁定磁层比自由磁层长，减少了被锁定磁层对自由磁场层中磁化强度的影响，从而减小了偏置磁场。
在这种旋转阀结构中，被锁定磁层对自由磁层的磁层影响小的多。因而，自由磁层与很少被锁定磁层磁层反向平行对齐。因此，如果没有外加信号磁场，自由磁层中的磁场强度可以置为基本与被锁定磁层中的磁场强度垂直。
本发明的原理可以应用于下面所述的各种类型的GMR磁头。
例如，仍然依照本发明的另一方面，提供一种总体上与上述磁头具有相同特点的GMR磁头，其中，GMR磁头的检测部分除了有自由磁层、中间层和被锁定磁层外，至少有一个包含反铁磁层的旋转阀膜。
检测部分可以是包含在衬底上按自由磁层、被锁定磁层和反铁磁层顺序形成的单旋转阀结构。
进一步，检测部分可以是包含在衬底上按反铁磁层、被锁定磁层、中间层和自由磁层的逆反单旋转阀结构。
另一种是，检测部分可以是包含在衬底上按第一反铁磁层、第一被锁定磁层、自由磁层、第二中间层、第二被锁定磁层和第二反铁磁层顺序形成的双旋转阀结构。
在GMR磁头中，检测部分可以以另一种形式即包含多个层组合的方式在衬底上形成，每一个层组合包括自由磁层、中间磁层和被锁定磁层，相邻层集合由非磁层层隔开。
在每一个这些GMR磁头中，为了使磁场矫正部分能够正常工作，检测部分和磁场矫正部分在磁头高度方向最好分开，且相距不超过0.1微米，理想距离为0.01微米。
依照本发明的另一方面，提供了一种制造GMR磁头的方法，包括通过顺序沉积下列各层形成旋转阀膜的步骤衬底上的至少一层自由磁层；自由磁层上的中间层；中间层上的被锁定磁层；以及被锁定磁层上的反铁磁层，和将旋转阀膜在高度方向的中间位置分离为两部分的步骤。
在这种GMR磁头中，在旋转阀膜高度方向的中间位置将其分离的步骤最好采用离子铣削技术。
依照本发明的另一方面，提供了一种磁盘驱动器，包括至少一个如上所述的GMR磁头；面对该GMR磁头放置的磁盘；以及控制GMR磁头和所述磁盘的控制机构。
本发明前述的和其他的目的及优点将清楚地显示在结合附图对优选实施方案的详细描述中，附图中同一标号表示同一部分，其中图1是GMR磁头和磁盘组合的主要部分的示意图；图2用于说明旋转阀元件；图3用于说明旋转阀元件的运行；
图4用于说明旋转阀中观察到的巨磁阻效应；图5显示了具有本发明单旋转阀结构的典型GMR元件；图6显示了具有图5所示单旋转阀结构的被锁定磁层中的磁场强度；图7是用于计算GMR元件自由磁层中磁场分布的单旋转阀结构模型横截面；图8是计算出的图5所示单旋转阀结构中自由磁层的磁场分布曲线图；图9是具有反单旋转阀结构的GMR元件的横截面；图10是具有双旋转阀结构GMR元件的横截面；图11是计算出的图10所示双旋转阀结构中自由磁层磁场分布曲线图；图12显示了图7所示GMR元件的自由磁层中磁化状态；图13显示了图10所示GMR元件的自由磁层中磁化状态；图14是具有超格子结构的GMR元件的横截面；图15是制造如图7所示GMR元件过程的流程图；图16是用如图5、9或10所示GMR元件中的任意一种制造的磁盘驱动器主要部分的平面图；本发明将结合附图以实施例来说明四个优选GMR元件、使用该元件的GMR磁头的制造方法和磁驱动器，所有图中相同标号代表相同或相应元件，为了简短起见，详细描述将不再重复。
本发明的原理具体体现在下面所述的GMR元件中，其中第二磁层设置为与磁头检测部分的第一被锁定磁层侧面相连并且设在其上面的位置。第二磁层被磁化为与第一被锁定磁层方向相同，以减小从第一被锁定磁层进入自由磁层的磁场的影响，从而为自由磁层提供了好的偏置点。下面，通过第一到第四个本发明的实施方案对本原理进行详细描述。(实施例1)图5说明了第一个GMR元件的结构。把这个GMR称为单旋转阀GMR元件(以下称为单旋转阀元件)，因为它具有一个不同于图10所示旋转阀膜中双结构的单结构检测部分10。
如图5所示，单旋转阀元件具有形成在衬底11上的检测部分10和磁场矫正部分20。这个元件不同于现有技术典型旋转阀元件之处在于它包含磁场矫正部分20。
检测部分10包括衬底11、形成于衬底11上的自由磁层(常称为自由层)12、形成于自由层11上的非磁层中间层13、形成于中间层13上的被锁定磁层(常称为被锁定层)14和形成于被锁定层14上的反铁磁层(也称为锁定层)15。
反铁磁层15用于把相连的被锁定磁层14的磁场强度固定或锁定在被锁定方向。如果没有反铁磁层15，在外加磁场的作用下被锁定磁层14中磁化状态可能会改变方向。然而，如果用硬磁材料制造被锁定磁层14则其中的磁化方向会非常固定而不需要反铁磁层15。但是，总的来说，使用反铁磁层15的优点在于可以使GMR元件的磁化稳定。
在讨论GMR元件的构造时，使用了直角坐标系，其中X轴定义为正对GMR磁头空气支承表面(ABS)的磁道的宽度方向，Y定义为GMR元件高度方向，即远离ABS的方向，Z轴定义为垂直磁层方向即沿着磁道方向，在检测部分10和磁场矫正部分20间是间隙或空隙g。典型检测部分10的宽度w＝0.3微米，高度h＝0.3微米，空隙g＝0.01微米。
此处所示例子中，上述各种元件的构成如下。
衬底11有一形成于下部读屏蔽层(图1)上的下部绝缘间隙膜，其上涂敷约50埃厚的钽为底层以在绝缘膜上形成平整表面。
图5中所示自由磁层12看上去为单层，实际上是由两层组成，一层为约40埃厚的铁镍合金(CoFe)薄膜，另一层为约25埃厚的钴铁合金薄膜。
非磁层中间层13是厚度约为24埃厚的磁铜薄膜。
被锁定磁层14是钴铁合金薄膜，组成与自由磁层12相同，厚度为22埃。
反铁磁层15是250埃厚的钯铂锰合金(PdPtMn)薄膜。
磁场矫正部分20可以与衬底11具有相同的结构。必须指出，实施本发明的必要元件为对应于检测部分10的被锁定磁层14的磁层24。其他元件不是必须的。其中所示单旋转阀元件的磁场矫正部分20与衬底11具有相同的结构，这仅仅是为了使它可以容易地和同时地用与检测部分10相同的制造工艺制造。
尽管示范的磁场矫正部分20与衬底11具有相同的结构，磁场矫正部分20中“自由”层和“被锁定”层是不相关地，因此不相关的层用材料名称表示而没用功能名称“自由”和“被锁定”。
因而磁场矫正部分20包括形成于与检测部分10同一衬底11上的磁层22、形成于磁层22上的非磁性中间层23、形成于非磁层23上的磁层24和形成于磁层24上的反铁磁层25，它们以上述顺序形成。其组成、厚度和每层外部尺寸可以与检测部分10的相应部件相同。
图6说明了检测部分10中被锁定磁层14的磁场强度Mp是如何形成的。一般被锁定磁层14中磁场强度Mp被磁化被锁定为如图6中实箭头所示Y轴方向。磁场强度的被锁定在制造被锁定磁层的最后阶段通过在外加磁场作用下首先对反铁磁层15进行热处理来完成。由于相互磁交换作用或磁交换耦合，反铁磁层15下面的被锁定磁层14中磁场强度被锁定为与反铁磁层边界或交界面处磁场强度相同。
如上所述，磁场矫正部分20与检测部分10具有相同的结构并通过相同的工艺制造，因此与被锁定磁层14对应的磁层24中磁场强度Mp′同被锁定磁层14中磁场强度Mp方向相同。然而，应当明白，磁层24在制造过程中不需要磁化。磁场强度Mp′仅仅是同时制造两个层14和24的自然结果，当如图6所示的磁层14中磁场强度Mp被锁定时会趋向于锁定磁层24。
检测部分10的自由磁层12设置为其磁畴方向在与被锁定磁层14磁场强度Mp(图中虚线所示)成90°的X轴方向。然而，磁畴仅被微弱的限制在该方向，磁场强度Mf在外部干扰下很容易改变方向。即被锁定磁层14具有非常高的被锁定力或矫顽力，而自由磁层12具有非常低的被锁定力或矫顽力。
因此，GMR元件受来自磁盘(没画出)的外加信号磁场Hsig作用，磁场强度Mf在磁场作用下旋转。自由磁层12中磁场强度Mf和被锁定磁层14中磁场强度Mp夹角θ为180°时，旋转阀膜的电阻达到最大值。当θ为零时，电阻达到最小值。电阻与θ的余弦成正比。
利用在旋转阀元件两端形成的一对电极薄膜(图15所示)向旋转阀膜提供的检测电流(恒流)，由磁场Hsig引起的旋转阀膜电阻变化可以通过旋转阀膜上的电压变化检测到。
图7是将X-Y平面切开的截面图。为了研究被锁定磁层14的磁场对自由磁层12的影响，本发明者计算了自由磁层12中间及附近(图中标志为X)沿元件宽度方向沿X轴的磁场密度。
图8显示了基于图7所示单旋转阀结构的计算结果。计算过程利用现有商业应用软件进行数值积分完成。图中横坐标表示到ABS(空气支承表面)的距离。0.3微米距离对应于检测部分10和正对ABS的磁场矫正部分20表面的高度。纵坐标表示被锁定磁层14在自由磁层12中标志部位造成的以奥斯特为单位的磁场的Y分量。图8所示的特性曲线对应于不同的间隙宽度g。
在这些特性曲线中，实曲线表示没有磁场矫正部分20的现有技术的情况，对应间隙g＝∞的情况。虚曲线代表g＝0.01微米的情况；点曲线代表g＝0.05微米的情况；点划曲线代表g＝0.01微米情况。
从图8可以看出，与没有磁场矫正部分20(实线)的现有技术GMR元件相比，具有磁场矫正部分20的GMR元件的自由磁层12中磁场受到抑制。进一步，距离检测部分10越近，磁场矫正部分20对自由磁层12中磁场抑制效果越好。例如，如果没有邻接检测部分的磁场矫正部分20(g＝∞)，被锁定磁层14在自由磁层12中间位置(距离GMR元件底部0.15微米)产生的磁场为58奥斯特。与之相比，在g＝0.1微米时中间位置对应的磁场强度为54奥斯特；g＝0.05微米时为50奥斯特；g＝0.01微米时为43奥斯特。换而言之，间隙g越小，自由磁层12中磁场强度越小。
必须指出，在g＝0.01微米时，被锁定磁层14在自由磁层12中产生的磁场强度从58奥斯特(现有技术)减小到43奥斯特。
对于图7所示的单旋转阀结构，自由磁层12置于被锁定磁层14之上，中间有一插入层13。通过中间层13，自由磁层12经过界层以磁交换耦合形式与被锁定磁层14耦合。当中间层13厚度约为24埃时，交换耦合的强度约为20奥斯特。必须指出，磁交换耦合的强度不依赖于磁场矫正部分20或磁层24，并且只要自由磁层12、中间层13和被锁定磁层14的布置不改变就保持不变。
因而，从计算出的磁场中减去交换耦合磁场，得出应施加的偏置磁场为23奥斯特，比38奥斯特减小了约40％。偏置磁场的减小应解释为由于GMR磁头检测部分10侧面附加的磁层24削弱了被锁定磁层14和自由磁层12的磁交换耦合。
应当知道，在该例子中，即使磁层24没有事先磁化为指定方向也可以得到同样的结果，因为磁层24最终会被被锁定磁层14发出的磁场磁化为某一方向。
图12A和12B以简易的方式描述了GMR磁头的特性，为简单起见，除了检测部分10的自由磁层12和被锁定磁层14及磁场矫正部分20的磁层24外，所有元件都被简化。如图12A所示，被锁定磁层14被锁定磁化在Y轴正方向。被锁定磁层14在其周围形成磁场。如果象现有技术的GMR元件没有磁场矫正部分20，从被锁定磁层14发出的大量磁通B1(这种磁通称为漏磁通)将进入自由磁层12。结果尽管自由磁层12应被理想地磁化为X轴方向，但如果没有磁层24，其会被磁化为Y轴负方向。
图12B说明了磁层24放置在被锁定磁层14侧面(即Y轴方向侧面)邻近但有一小的间隔距离的情况。磁层24一般采用与被锁定磁层14相同的制造工艺制造，因而磁层24与被锁定磁层14被锁定磁化为同一方向(Y轴方向)。在此情况下，从被锁定磁层14中发出的大量漏磁通B2进入磁层24，因而只有一小部分磁通B3进入磁层12。
磁层24的另一端的漏磁通B4到达自由磁层12，但是其磁通密度在自由磁层12处减少为四分之一，这是因为磁通密度与距离的平方成反比而自由磁层12和磁层24的距离一般为被锁定磁层14和自由磁层12距离的两倍多。
结果，自由磁层12从被锁定磁层14接收的磁场由于磁层24的存在而大大减少，从而减小了自由磁层12在Y轴负方向的重新磁化的可能性。磁场矫正部分20的磁层24以这种方式促使自由磁层12中的磁场强度更容易相对于被锁定磁层24中的磁场强度成理想地90°角。
然而，应当知道，磁层24不须事先磁化，因为它可以容易地被被锁定磁层14中的磁场磁化为正Y轴方向。
提供间隙g使磁层24与被锁定磁层14在侧面相邻。然而，从图12B可以看出，检测部分10和磁场矫正部分20的间隙或者说磁层24和被锁定磁层14之间的间隙在不减少磁场矫正部分20优点的同时可以减小为零。在这种意义上，本发明的单旋转阀结构的特征可以是在Y轴方向(即GMR元件高度方向)比自由磁层12设置为更远位置的被锁定磁层14。
间隙g的目的是使磁层24独立于被锁定磁层14。然而，独立于被锁定磁层14制造磁层24非常困难，而且由于间隙g不是不可避免的，同时在同一个衬底上制造它们使之端对端连接更好，这一点将在简单描述的第二个示例中看到。
总之，在本发明的GMR磁头中，使用的磁场矫正部分与检测部分在侧面相邻，如此磁场矫正部分具有一个磁化为与检测部分的被锁定磁层相同方向的磁层，使得检测部分的漏磁场被磁场矫正部分削弱，从而可以为检测部分设计合适的偏置磁场。图9说明了本发明的第二种GMR元件。这种GMR元件不同于图7所示的第一种元件之处在于层的顺序是相反的。这种层顺序相反的GMR旋转阀元件的布置以下称为反单旋转阀结构。
图9所示的这种元件具有形成于衬底11上的检测部分10和磁场矫正部分20。检测部分10包括衬底11、形成于衬底11上的反铁磁层15、形成于反铁磁层上的被锁定磁层14、形成于被锁定磁层上的中间层和形成于中间层上的自由磁层12，它们以上述顺序布置。如果被锁定磁层14采用硬磁材料制造，则可省略反铁磁层15。
磁场矫正部分20可以与检测部分10具有相同的结构。在这种情况下，磁场矫正部分20包括衬底11上的反铁磁层25、形成于反铁磁层上的磁层24、磁层24上的非磁层中间层23和形成于中间层上的磁层22，它们以所述顺序布置。在这些层中只有磁层24是形成磁场矫正部分20所必须的。
如图9所示，反单旋转阀GMR元件与图4所示GMR元件除了层的顺序相反外结构基本相同。相应地，图4和图9所示的GMR元件运转相同。
图9所示的GMR元件具有与图8和12所示的GMR元件相同的特性。进一步，如果磁层24形成于磁场矫正部分20的反铁磁层25上，非磁层中间层23和磁层22可以省略。图10说明了本发明的第三个例子，与图5所示的第一种单旋转阀结构相比可称为“双旋转阀结构”。双旋转阀结构在图9所示的反旋转阀结构顶部又具有一单旋转阀结构(没有衬底)，使得其中处于相对的两面的两个旋转阀结构共享自由磁层12。因此双旋转阀结构在Z轴方向以自由磁层12为对称平面。
如图10所示的第三种旋转阀结构一般具有在衬底11上形成的检测部分10和磁场矫正部分20。除了衬底11外，检测部分10包括衬底11上的第一反铁磁层15-1、形成于第一反铁磁层上的第一被锁定磁层14-1、形成于第一被锁定磁层上的第一中间层13-1、形成于第一中间层上的自由磁层12、形成于自由磁层上的第二中间层13-2、形成于第二中间层上的第二被锁定磁层14-2和形成于被锁定磁层上的第二反铁磁层15-2。
如果这种GMR元件的被锁定磁层14-1和14-2中的一个或两个采用硬磁材料制造，则对应的第一和/或第二反铁磁层15-1和15-2可以省略。
图10所示的双旋转阀结构中，除了其厚度减小使两种GMR元件具有相同的整体外部尺寸(即宽度w、高度h、间隙g)外，每一层在结构上可以与图4所示单旋转阀结构中相应每一层相同。作为选择，双旋转阀结构与单旋转阀元件对应层也可以有相同的大小和组成。
磁场矫正部分20和检测部分10可以有相同的结构。然而，对于磁场矫正部分20，只有磁层24-1和24-2分别与第一被锁定磁层14-1和第二被锁定磁层14-2结合才是必须的。此处所示磁场矫正部分20和检测部分10具有相同的层结构，因为在制造时可以容易地与检测部分10一起形成。
第一被锁定磁层14-1和第二被锁定磁层14-2分别有被锁定磁场强度Mp1和Mp2，其方向在Y轴方向分别如图10中实箭头所示。因为磁场矫正部分20和检测部分10在其制造过程中一起形成，所以磁层24-1和24-2分别与自由磁层14-1和14-2结合而具有磁场强度Mp1′和Mp2′在相同Y轴方向。然而，在制造过程中磁层24-1和24-2不需要磁化为特定方向，因为当磁层14中的磁场强度MP1和MP2被被锁定时它们最终会被图10所示相应被锁定磁层平行地磁化。
必须指出，检测部分10的自由磁层12中磁畴开始时置为指向与被锁定磁层14-1和14-2成约90°方向。可以说自由磁层12中磁场强度被微弱地定为正交方向，因为它们并没有固定或被锁定。
因此，当GMR元件置于磁盘发出的外加信号磁场Hsig中时，磁场强度Mf随外加磁场旋转。旋转阀膜的电阻随自由磁层12中磁场强度Mf和磁场强度Mp的夹角q的余弦变化。由于双旋转阀元件中存在多个磁-非磁界面，该元件与单旋转阀元件相比具有许多优越特性，元件电阻有大的变化范围。
通过在该旋转阀元件两端形成的一对电极向旋转阀元件提供的检测电流(恒流)，可以以旋转阀元件的电压变化的形式检测磁场Hsig引起的旋转阀元件电阻变化。
图11表示了在所设想双旋转阀结构基础上计算出的自由磁层中磁场在Y方向的分量(高度方向分量)分布图。该图对应于图10所示旋转阀结构。其中横坐标与图10分度相同。纵坐标表示以奥斯特为单位的磁场，最大为300奥斯特，这两倍于图10中的值，因为在双旋转阀结构中被锁定磁层发出的磁场两倍于单旋转阀结构。
与前面相同，实曲线代表没有磁场矫正部分20的现有技术的情况。应当理解，与现有技术相比，自由磁层12中磁场被磁场矫正部分20所抑制。
可以看出，间隙g越小，自由磁层12中漏磁场受到抑制效果越好。例如，如果没有磁场矫正部分20，磁场为107奥斯特。相反，有磁场矫正部分20的情况下，当g＝0.1微米时磁场为102奥斯特，g＝0.05时为96奥斯特，g＝0.01时为82奥斯特。因此，自由磁层12中被锁定磁层14-1和14-2造成的漏磁场随间隙g减小而减小。
相应地，在g＝0.01微米的典型例子中可以看到，自由磁层12中某一位置(Y＝0.15微米)处磁场从107奥斯特减小到82奥斯特。
图10所示的GMR元件中，自由磁层12一方面放在被锁定磁层14-1上，中间插入中间层13-1，另一方面自由磁层12置于被锁定磁层14-2下，中间插入中间层13-2。自由磁层12和第一、第二磁层14-1和14-2通过交换耦合进行磁性耦合，从而导致在第一、第二中间层13-1和13-2厚度为24埃时，自由磁层12中漏泄磁场减小在单旋转阀中为20奥斯特，在双旋转阀中为40奥斯特。
从计算出的磁场中减去交换耦合磁场，得到偏置磁场为42奥斯特，比67奥斯特减小37％。偏置磁场的减小可以解释为由于磁场矫正部分20的磁层24的存在削弱了被锁定磁层14和自由磁层12的磁交换耦合，其中磁场矫正部分每一磁层24都与双旋转阀元件的检测部分10中对应的被锁定磁层在侧面相邻。
应当明白，在本例中即使磁层24-1和24-2没有事先磁化为特定方向也可以得到相同的结果，因为磁层24-1和24-2最终会被检测部分10的被锁定磁层14-1和14-2的漏磁场所磁化。
对应于描述单旋转阀元件的图12，图13-A、B以简化方式描述了双旋转阀GMR元件的特性。为简单起见，除了检测部分10的自由磁层12和被锁定磁层14-1、14-2及磁场矫正部分20的磁层24以外，图13中省略了其他元件。如图13A所示，被锁定磁层14-1和14-2被锁定磁化为Y轴正方向。被锁定磁层14-1和14-2周围形成磁场。由于采用现有技术的元件中没有磁场矫正部分，大量分别从磁层14-1和14-2漏出的磁通B1-1和B1-2到达自由磁层12。类似地，来自自由磁层12的大量漏磁通到达被锁定磁层14。结果，尽管自由磁层12应被理想地磁化为X轴方向，但总或多或少的被漏泄磁场向负Y轴方向磁化。
图13B说明了磁层24-1和24-2分别放置在与被锁定磁层14-1和14-2在侧面相邻但有一小的间隙的情况。原理上，磁层24-1和24-2可以与被锁定磁层14-1和14-2有相同的制造工艺，从而磁层24-1和24-2分别被锁定磁化为Mp1′和Mp2′，与被锁定磁层14-1和14-2中的方向相同(Y轴方向)。
在此情况下，分别来自被锁定磁层14-1和14-2的大量漏磁通B2-1和B2-2到达磁层24-1和24-2，使得分别来自被锁定磁层14-1和14-2漏泄磁通只有小部分B3-1和B3-2到达自由磁层12。
分别来自磁层24-1和24-2另一端的漏磁通B4-1和B4-2到达自由磁层12，但是由于磁通密度以距离的平方减小，磁通密度在自由磁层12的端部减小为四分之一。如上所述，间隙g大小并不重要。
结果，由于磁层24-1和24-2的存在，自由磁层12中由被锁定磁层14-1和14-2发出的漏磁场大大减小，因而减小自由磁层12在Y轴方向可能存在的磁场强度。因此，磁场矫正部分20的磁层24时自由磁层12中磁场强度容易保持与被锁定磁层14中磁场强度成理想地90°角。
按照本发明，在使用具有双被锁定磁层和自由磁层的检测部分的双旋转阀GMR磁头中，通过在检测部分侧面相邻放置磁场矫正部分，可以抑制由被锁定磁层发出进入自由磁层的漏磁场，其中被锁定磁层的被锁定磁层磁化为与检测部分被锁定磁层的方向一致，从而为检测部分提供充分偏置。图14说明了按照本发明的第四实施例，具有超格子结构GMR元件。超格子GMR具有形成于衬底11上的检测部分10，它包括多个磁层集合，每一个磁层集合包括一个自由磁层12或者与中间层13连接或者与被锁定磁层14和中间层13连接，各个磁层集合中间插入一个非磁性层16而堆在一起。被锁定磁层14由硬磁材料制造，因而不需要反铁磁层被锁定各个被锁定磁层中的磁场强度。第j个磁层集合的层由各层的标号用连字符加j表示。
图14所示的检测部分10有n个磁层集合，由非磁性层16-1到16-n隔开。
此外，超格子GMR元件具有与检测部分10布置相同的磁场矫正部分20。然而，应当明白，对于磁场矫正部分20，只有磁层24-1到24-n是必需的。
如果对图14所示GMR元件施加外部磁场，具有微弱矫顽力的自由磁层12旋转为与外加磁场相同。GMR元件的电阻在旋转磁场与被锁定磁层14中磁场强度同向平行时(θ＝0°)达到最小，在反向平行时(θ＝180°)达到最大。由于超格子GMR元件具有很多旋转阀交界面，超格子GMR元件具有电阻变化比单旋转阀GMR元件大的特性。然而，随GMR元件中所用层的多样性和复杂性增加，GMR元件的制造成本增加。
图14所示的GMR元件可以认为是将许多没有反铁磁层的单旋转阀结构一个堆在另一个上层积而成的，因此该GMR元件的动作可以理解为与图1所示单旋转阀GMR元件相同。超格子GMR元件除了包括两个相邻单旋转阀结构间的许多非磁层界面外，与图5所示的单旋转阀GMR元件基本上具有相同结构。因此，该GMR元件同样具有单旋转阀GMR元件的优点和特性。从第一到第四种GMR元件的制造方法简要的描述如下。
图15是具有单旋转阀结构的第一种GMR元件的制造工艺流程图。
如图15A所示，检测部分10的每一个旋转阀层(即自由磁层12，中间层13，被锁定磁层14和反铁磁层15)和相应磁场矫正部分20中的层以上述顺序被同时喷镀在衬底11上。然后，由抗蚀剂和铝或仅由起分离作用的抗蚀剂组成的双层光致抗蚀剂17沉积在检测部分10和磁场矫正部分20上，用以保护它们不受随后进行的离子铣削影响。
如图15B所示，喷镀部分运用离子铣削技术进行图形制作，并蚀刻为分别对应检测部分10、间隙部分g和磁场矫正部分20的三部分。
然后硬质层18作为底层在其上沉积电极层19，如图15C所示。检测部分10优点在于其两端具有底层和电极从而使检测电流仅流过自由磁层12而不通过检测部分10和磁场矫正部分20于是获得大的电阻变化。
如果检测电流通过检测部分10和磁场矫正部分20，因为磁场矫正部分20离磁盘远，GMR元件总的电阻变化就会减小。因此在外加磁场Hsig作用下，磁场矫正部分20中磁场强度变化进而引起的电阻变化相对较小。因此，此处硬质层18和电极19仅置于沿检测部分10宽度方向的两端。然而，更简单从而耗费较少的是在检测部分10和磁场矫正部分20宽度方向的两端都沉积硬质层18和电极19。因而这是在制造费用和追求好的GMR磁头特点的折衷选择。
下一步，如图15D所示，去掉双层抗蚀剂17。
然后，如图15E所示形成具有与检测部分10和磁场矫正部分20(图5所示)之间间隙g相关的凹槽的双层抗蚀剂17g。再通过离子铣削方法，形成对应于间隙g的凹槽，再去掉双层抗蚀剂。
必须明白，尽管通过上述过程制造的图5所示的GMR元件已经说明，也可以用另一种替换方法如技术领域熟知的选择性蚀刻、分离工艺、离子铣削和光刻等工艺进行制造。
制造第二例(图9)中反单旋转阀结构的方法与制造图5所示GMR元件的方法相同，只不过前者以反顺序形成各层。
制造具有双旋转阀结构的第三种GMR元件的方法同第二例中所述GMR元件相同，只不过前者额外形成了第二中间层13-2、第二被锁定磁层14-2和第二反铁磁层15-2。
制造第四种GMR元件的方法与第一例中的GMR元件相同，只不过如图10所示形成的层是大量的。图16是实施本发明的磁盘驱动器的透视图。该磁盘驱动器包含按照本发明制造的GMR磁头。该磁盘驱动器包括磁盘30和放置在磁盘30上的GMR磁头32，GMR磁头32在磁盘读写操作时浮动在磁盘30上面20nm处。由普通传动器和电磁微传动器组成的两级传动器34调节GMR磁头的位置。使用无粘着滑块36防止滑块和磁盘粘着。
概要的说，本发明提供了一种新颖的GMR磁头，其中通过抑制由于被锁定磁层对自由磁层的作用产生的静磁场为自由磁层设置充分的偏置点。
本发明进一步提供了制造上述新颖GMR磁头的方法。
最后，本发明提供了使用上述GMR磁头中任何一个的磁盘驱动器。
权利要求
1一种GMR(巨磁阻)磁头，包括至少包括自由磁层、中间层和被锁定磁层的GMR元件，其中，所述被锁定磁层在所述元件高度方向比所述自由磁层长，从而减小了所述自由磁层中来自所述被锁定磁层的磁场强度。
2一种GMR磁头，包括包含GMR元件的检测部分，和独立设置在所述元件高度方向一侧的磁场矫正部分，其中所述检测部分至少包括自由磁层、中间层和被锁定磁层，所述磁场矫正部分至少包括设置在所述元件高度方向一侧的独立的磁层，由此减小了所述被锁定磁层在所述自由磁层中产生的磁场。
3一种GMR磁头，包括包含GMR元件的检测部分；和设置在所述元件高度方向一侧的独立的磁场矫正部分，其中所述检测部分至少包括一个自由磁层、中间层和被锁定磁层的组合，以及所述磁场矫正部分具有基本上与所述检测部分相同的结构。
4如权利要求3所述的GMR磁头，其中所述检测部分除了包括所述自由磁层、中间层和被锁定磁层外，还包括反铁磁层。
5如权利要求3所述的GMR磁头，其中所述检测部分具有包括以下列顺序在衬底上依次沉积的所述自由磁层、中间层、被锁定磁层和反铁磁层的单旋转阀结构。
6如权利要求3所述的GMR磁头，其中所述检测部分具有包括以下列顺序在衬底上依次沉积的所述反铁磁层、被锁定磁层、中间层和自由磁层的反单旋转阀结构。
7如权利要求3所述的GMR磁头，其中所述检测部分具有至少包括以下列顺序在衬底上依次沉积的所述第一被锁定磁层、第一中间层、自由磁层、第二中间层和第二被锁定磁层的双旋转阀结构。
8如权利要求3所述的GMR磁头，其中所述检测部分具有至少包括以下列顺序在衬底上依次沉积的所述第一反铁磁层、第一被锁定磁层、第一中间层、自由磁层、第二中间层、第二被锁定磁层和第二反铁磁层的双旋转阀结构。
9如权利要求3所述的GMR磁头，其中所述检测部分具有包括多个层组合的超格子GMR元件，其中每一个组合具有自由磁层、中间层和被锁定磁层，并且相邻组合被非磁性层隔开。
10如权利要求3所述的GMR磁头，其中所述检测部分和所述磁场矫正部分在所述元件高度方向上被隔开，距离不超过0.1微米。
11如权利要求3所述的GMR磁头，其中所述检测部分和所述磁场矫正部分在所述元件高度方向上被隔开距离不超过0.01微米。
12一种制造GMR磁头的方法，包括如下步骤至少依次在衬底上沉淀自由磁层、在所述自由磁层上沉淀中间层、在所述中间层上沉淀被锁定磁层和在所述被锁定磁层上沉淀反铁磁层形成旋转阀膜；以及在所述旋转阀膜的中间高度处将其分隔开。
13如权利要求12所述的制造GMR磁头的方法，其中所述分隔所述旋转阀膜的步骤采用离子铣削技术。
14一种磁盘驱动器，至少包括如权利要求1到11中任一个所述的GMR元件；面对所述GMR磁头放置的磁盘；以及控制所述GMR磁头和所述磁盘的控制机构。
15一种GMR磁头，包括独立放置在用于检测外加磁场的检测部分中的GMR元件高度方向的一侧的磁层，所述磁层被被锁定磁化为与所述检测部分的被锁定磁层的磁场相同的方向。
16一种GMR磁头，包括与检测外加磁场变化的检测部分并列地独立设置的磁场矫正部分，所述磁场矫正部分与所述检测部分具有相同的层状结构；其中所述检测部分的被锁定磁层和所述磁场矫正部分的磁层具有基本上相同的磁化方向。
17如权利要求14到16中任一项所述的GMR磁头，其中所述磁场矫正部分的所述磁层和所述检测部分的被锁定磁层具有基本相同的宽度。
18如权利要求14到17中任一项所述的GMR磁头，其中所述磁场矫正部分的所述磁层和具有GMR元件的所述检测部分的所述被锁定磁层在所述元件高度方向上的间隙不超过0.01微米。
19如权利要求14到17中任一项所述的GMR磁头，其中所述检测部分具有双旋转阀结构。
全文摘要
本发明提供了一种GMR磁头,其中通过抑制由GMR磁头的被锁定磁层14发出的进入自由磁层12的静磁场为GMR磁头的自由磁层12设置充足的偏置点。该GMR磁头包括检测部分10和在检测部分侧面放置的磁场矫正部分20。检测部分10除了包括自由磁层12和被锁定磁层14外,还包括特定布置的中间层13和反铁磁层15。磁场矫正部分20可以和检测部分10具有相同的结构。
文档编号G11B5/012GK1229973SQ9811709
公开日1999年9月29日 申请日期1998年12月11日 优先权日1998年3月19日
发明者长坂惠一, 清水丰, 岸均, 田中厚志, 近藤玲子 申请人:富士通株式会社