专利名称：具有作为后方磁通引导读出层的磁性隧道结磁阻读出磁头的制作方法
本申请涉及同时提出的两个系列申请。一个申请的编号为08/957699，名称为“MAGNETIC TUNNEL JUNCTION MAGNETORESISTIVEREAD HEAD WITH SENSING LAYER AS FLUX GUIDE”(‘具有作为磁通引导的读出层的磁性隧道结磁阻读出磁头’)。另一个申请的编号为08/957787，名称为“MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONMAGNETORESISTIVE READ HEAD(‘屏蔽式磁性隧道结磁阻读出磁头’)。
本发明涉及磁性隧道结(MTJ)设备，特别是涉及用作供读取磁记录式数据用的磁阻(MR)磁头的MTJ设备。
一个磁性隧道结设备由被一个薄的绝缘隧道势垒层分隔开的两个铁磁体层构成，且以旋转极化电子隧道现象为基础。铁磁体层之一在外加磁场的一个方向上有比另一铁磁体层高的(典型地说是由其较高的磁矫顽力引起的)饱和磁场。该绝缘隧道势垒层足够地薄，使得在铁磁体层之间存在着量子力学隧道。隧道现象是取决于电子旋转的，使得MTJ的磁响应成为两个铁磁体层的相对取向和旋转极化的函数。
MTJ设备已被推荐为主要用作固态存储器的存储单元。MTJ存储单元的状态由当读出电流从一个铁磁体层到另一个铁磁体层垂直地通过MTJ时测量MTJ的电阻来决定。电荷载流子形成隧道穿过绝缘隧道势垒层的概率取决于两个铁磁体层的磁矩(磁化方向)的相对取向。隧道电流被旋转极化，这意味着从一个铁磁体层(例如，其磁矩是固定的或防止转动的层)通过的电流，主要由一种旋转类型的(顺时针旋转或逆时针旋转，取决于铁磁体层的磁矩的方向)的电子组成。隧道电流的旋转极化的程度由在铁磁体层和隧道势垒层的交界处组成铁磁体层的磁性材料的电子能带构造决定。第1铁磁体层例如用作旋转滤波器。电荷载流子形成隧道的概率取决于和在第2铁磁体层中电子电流的旋转极化相同的旋转极化的电子状态的可利用性。通常，当第2铁磁体层的磁矩和第1铁磁体层的磁矩平行的时候，将比第2铁磁体层的磁矩被排列为和第1铁磁体层的磁矩反向平行时有更多的可用的电子状态。因此，在两个层的磁矩平行时，电荷载流子形成隧道的概率最高，而当两个磁矩反向平行时最低。在磁矩既不是平行也不是反向平行时，形成隧道的概率取中间值。因此MTJ存储单元的电阻取决于两个铁磁体层中的电流的旋转极化和电子状态。结果是，其磁化方向是不固定的铁磁体层的两个可能的磁化方向独特地定义存储单元的两个可能的位状态(0或1)。
一个磁阻(MR)传感器通过由磁性材料制作的敏感元件的电阻的变化，作为被敏感元件感知的磁通量的强度和方向的函数，检测磁场信号。现有的MR传感器，诸如那些在磁记录式磁盘驱动器中用作供读取数据用的MR读出磁头，它的工作是以大部分磁性材料(典型的是透磁合金(Ni81Fe19)的各向异性磁阻(AMR)效应为基础的。读取元件电阻的一个分量，随着读取元件中的磁化方向和通过读取元件的读出电流的方向之间的角度余弦的平方而变化。由于来自已进行了记录的磁性媒体(信号场)的外部磁场可在读取元件的磁化方向上引起一个变化，而这一变化又反过来在读取元件的电阻中产生一个变化，以及在已读出的电流或电压中的相应的变化，故已记录的数据可以从一个磁性媒体(诸如磁盘驱动器中的磁盘)中读出来。在现有的MR读出磁头中，与MTJ设备比较，读出电流是在平行于读出元件的铁磁体层的方向上。
就如在美国专利5390061中所述，提出了应用一种MTJ设备作为供磁性记录用的磁阻读出磁头。在该MTJ读出磁头中，自由和固定铁磁体层具有并不伸出到绝缘隧道势垒的横向周界线之外的横向周界线。在磁隧道记录装置中，读出磁头从小的磁化区域或已写入到在其上边已悬上磁头的薄膜磁性媒体中去的磁位中读出磁通。用更高磁位区域密度部分地可以增加磁盘驱动器的容量。因此，每一磁区的面积或位必须减少，但是，因而将产生减小了的磁通。因而，对于具有更高的性能和更高容量的磁记录磁盘驱动器要求可以读出减小后的具有更大输出信号的磁记录磁头。采用寻找具有较高磁阻系数的MTJ构造的办法，可以得到经过改进的磁记录磁头。但是，MR系数决定于组成MTJ的材料的固有的电和磁性质。
现在所需要的是一种供磁记录系统用的MTJ MR读出磁头，这种磁头对于相同的输入磁通量比那些用相同的一组电和磁材料构成但其他方面不同的MTJ磁头能给出更大的输出信号。
本发明提供了一种磁性记录系统用的MTJ MR读出磁头，其中，自由铁磁体层也用作一个后方磁通引导装置以使磁通从磁记录媒体通到隧道结。在一个磁记录磁盘驱动器的实施例中，固定铁磁体层，隧道势垒层，自由铁磁体层都具有自己的在空气-轴承表面(ABS)上露出来的边沿。固定和自由铁磁体层两者都和隧道势垒层的相对的表面接触，但是自由铁磁体层则伸出到隧道势垒层或固定铁磁体层之外，不论哪一个的后边沿都更为靠近读出表面。这将保证在隧道结区域内磁通为非零。固定铁磁体层的磁化方向一般被固定在垂直于ABS因而也垂直于磁盘表面的方向，最好是采用和反铁磁体层进行界面间交换耦合的办法。自由铁磁体层的磁化方向，在没有外加磁场时通常被排列在平行于ABS的表面的方向，而在有来自磁记录磁盘的外加磁场时则其磁化方向自由旋转。一个与自由铁磁体层的侧面相邻的高矫顽力硬磁材料层纵向地把自由铁磁体层的磁化方向偏置向优选方向。
该MTJ MR读出磁头可以形成为集成化读/些磁头构造的一部分，在该构造中有定位于MTJ MR读出磁头的两侧的导电性的磁屏蔽。供读出电路用的电引线形成在两个屏蔽上，使得提供一个从屏蔽通过该引线到隧道结的固定和自由铁磁体层的通电路径。
为了更为完整了解本发明的性质和优点，应当在参照附图的同时，参考下述详细的说明。
图1是供与本发明的凹进式MTJ MR读出磁头一起使用的现有的磁性记录磁盘驱动器的简化框图。
图2是拿掉机壳的图1的盘驱动器的顶视图。
图3是现有的集成化电感式写入磁头/MR读出磁头的纵剖面图，其中MR读出磁头定位于屏蔽之间并与供说明本发明的MTJ MR读出磁头应该定位于何处的电感式磁头相邻。
图4是通过本发明的MTJ MR读出磁头的隧道结剖开的剖面图，用于说明通过隧道结流动的电流的垂直方向。
图5是后方磁通引导式MTJ MR读出磁头的剖面图，说明了各种层相对于磁头(空气-轴承表面)读出边沿的位置。
图6A-6N说明了本发明的后方磁通引导式MTJ MR的制造步骤。
图7是读出表面的视图，该图画出了读出铁磁体层的前面边沿和纵向偏置铁磁体层的边沿。
参照图1。图中示出了应用一个MR传感器的现有的磁盘驱动器的剖面图。该磁盘驱动器由一个基座10，在其上边固定有一个磁盘驱动电机12和一个执行器14，和一个罩子11。基座10和罩子11给驱动器提供了一个基本上已密封起来的机壳。一般在基座10和罩子11之间有一个垫圈13和一个小的通气口(未画出来)，以平衡磁盘驱动器内部和外部环境之间的压力。磁性记录磁盘16通过毂盘18连接到驱动电机12上，磁盘连接到毂盘18之上是为了用驱动电机12使它转动。磁盘16的表面上有一层薄的润滑膜50。一个读/写磁头或者变换器25形成在磁头支架(例如空气轴承浮动块20)的尾端。就如将在图3中说明的那样，变换器25是一由电感式写入磁头部分和MR读出磁头部分构成的读/写磁头。浮动块20利用一个刚性臂22和一个悬臂24连接到执行器14上。悬臂24提供一个偏置力，把浮动块20推到记录磁盘16的表面上。在磁盘驱动器工作期间，驱动电机12以恒定的速度转动磁盘16，而一般是一线性或旋转话音线圈电机的执行器14，通常在径向方向上移动浮动块20使之穿过磁盘16的表面，使得读/写磁头25可以访问磁盘16上边的不同的磁道。
图2是拿掉罩子11的磁盘驱动器的内部的顶视图，该图并且更好地说明对浮动块20提供一个力以把磁盘16往前推的悬臂24。该悬臂可以是现有类型的悬臂，诸如IBM公司在美国专利4167765中所述的那种人们所熟悉的Watrous悬臂。这种类型的悬臂还提供一种浮动块的万向接头式的附加物，它使得浮动块在它被放到空气轴承上的时候可以倾斜和旋转。用变换器25从磁盘16上检测到的数据，借助于定位在臂22上的集成电路芯片15中的信号放大和处理电路被加工成数据回读信号。来自变换器25的信号通过柔软电缆17被送往芯片15，芯片15把其输出信号通过电缆19送往磁盘驱动器电子电路(未画出来)。
图3是由MR读出磁头部分和电感式写入磁头部分组成的集成化读/写磁头25的剖面图。磁头25重叠起来以形成一个空气-轴承表面(ABS)，该ABS借助于前边讨论过的空气轴承与旋转磁盘16(图1)的表面分隔开来。读出磁头包括一个夹在第1和第2间隙层G1和G2之间的MR传感器40,G1和G2又依次被夹在第1和第2磁屏蔽层S1和S2之间。在普通的磁盘驱动器中，MR传感器40是一个AMR传感器。写入磁头包括一个线圈层C和被夹在绝缘层I1和I3之间的绝缘层I2,I1和I3又依次被夹在第1和第2磁极片P1和P2之间。在磁极顶端上邻近ABS的第1和第2磁极片P1、P2之间夹有一个间隙层G3，为的是提供一个磁间隙。在写入期间信号电流通过线圈层C传导，而在第1和第2磁极层P1、P2中感应出磁通，使得磁通在ABS上穗状地穿过磁极顶端。在写入操作期间，磁通使旋转磁盘16上边的圆形磁道磁化。在读出操作期间，旋转磁盘16上边的已磁化区把磁通引进到读出磁头的MR传感器40中去，使得MR传感器40中电阻变化。这些电阻变化，用检测MR传感器40上的电压变化的办法进行检测。用芯片15(图2)和驱动器电子电路对该电压变化进行处理并变换成用户数据。示于图3的组合式磁头25是一个‘结合式’磁头，在该磁头中，读出磁头的第2屏蔽层S2被用作写入磁头的第1磁极片P1。在背负式磁头(没有画出来)中，第2屏蔽层S2和第1磁极片P1是分开的层。
对具有AMR读出磁头的典型的磁性记录磁盘驱动器的上述叙述以及附图1～3仅仅为了进行说明。磁盘驱动器可以包括许多的磁盘和执行器，而且每一执行器都可以支持许多浮动块。此外，不用空气轴承浮动块而代之以用这样的磁头支架，该支架例如象在液体轴承和其他接触和近乎接触记录磁盘驱动器中那样，保持磁头与磁盘接触或近乎接触。
本发明是一种具有MTJ传感器的MR读出磁头，用来代替图3的读/写磁头25中的MR传感器40。
图4是本发明的一个实施例的MTJ MR读出磁头的剖面图，如果通过一个其边沿在图3中被画成线42的平面来剖开并从磁盘表面看过去，就是这样的图。因此，图4的纸面是一平行于ABS的平面而且基本上通过有效读出区，即通过MTJ MR读出磁头的隧道结，以展现出形成磁头的那些层。
参看图4。MTJ MR读出磁头包括一个形成于第1间隙层G1上的电引线层102，在间隙层G2的下边的电引线层104，和作为一个层的叠层形成于电引线层102、104之间的MTJ100。
MTJ100包括一个第1电极多层叠层110，一个绝缘隧道势垒层120，和一个顶部电极叠层130。每一电极包括一个直接与隧道势垒层120接触的铁磁体层，即铁磁体层118和132。
形成在电引线层102上边的基底电极层叠层110包括一个在电引线102上边的种子(seed)层或者‘模板(template)’层112，在模板层112上的反铁磁体材料层116和一个形成在上边且与在下边的反铁磁体层116形成为交换耦合式的‘固定’的铁磁体层118。该铁磁体层118被称作固定层，因为其磁矩或者磁化方向，在感兴趣的范围内加上磁场时保持为不转动。顶部电极叠层130包括一个‘自由’或‘读出’铁磁体层132，和形成在读出层132上边的保护性的层或覆盖层134。读出铁磁体层132被非交换耦合到一个反铁磁体层上，因此其磁化方向在加上所希望的范围的磁场时是自由旋转的。读出铁磁体层132被制造为使得把它的磁矩或磁化方向(用箭头133表示)通常定向为与ABS平行(ABS是一平行于图4的纸面)，而且，在未加磁场时通常垂直于固定铁磁体层118的磁化方向。在电极叠层110中，正好位于隧道势垒层120下边的固定铁磁体层118，其磁化方向借助于与下边紧挨着的的反铁磁体层116进行界面交换耦合进行固定，反铁磁体层116也形成为底部电极叠层110的一部分。固定铁磁体层118的磁化方向通常被定向为与ABS垂直，即在图4中从纸面中出来或者进入纸面(如箭尾119所示)。
在图4中，还示出了一个用于对读出铁磁体层132的磁化进行纵向偏置的偏置铁磁体层150，一个使读出铁磁体层132和偏置层150分开并绝缘的绝缘层160，和MTJ100的其他的层。偏置铁磁体层150是一种硬磁材料，例如CoPtCr合金，在未加磁场的情况下，其磁矩(用箭头151表示)被排列在与读出铁磁体层132的磁矩133相同的方向上。绝缘层160，最好是氧化铝(Al2O3)或二氧化硅(SiO2)，具有足够使偏置铁磁体层150与MTJ 100和电引线层102、104电绝缘的厚度，但是该厚度又足够地薄使得可以与读出铁磁体层132进行静磁耦合(用虚线箭头153表示)。偏置铁磁体层150的乘积M*t(其中，M是在铁磁体层中材料的单位面积的磁矩，t是铁磁体层的厚度)必须大于或等于读出铁磁体层132的M*t，以确保稳定的纵向偏置。由于一般被用在读出铁磁体层132中的Ni(100-x)-Fe(x)(x近似等于19)的磁矩大约是适合于用作偏置铁磁体层150的典型的硬磁材料(诸如Co75Pt13Cr12)的2倍，故偏置铁磁体层150的厚度至少是读出铁磁体层132的近乎两倍。
读出电流I从第一导电引线102垂直地通过反铁磁体层116、固定铁磁体层118、隧道势垒层120和读出铁磁体层132，然后通过第2电引线104输出。如上所述，通过隧道势垒层120的隧道电流是与隧道势垒层120相邻并与隧道势垒层接触的固定和读出铁磁体层118、132的相对方向的函数。来自记录数据的磁场使读出铁磁体层132的磁化方向旋转偏离方向133，即或者是从图4的纸面进去或者出来。这将改变铁磁体层118、132的磁距的相对方向，因此，改变隧道电流的量，该电流量反映了MTJ 100的电阻的改变。电阻的这一改变用磁盘驱动电子电路进行检测并加工成为来自磁盘的数据回读。借助于电绝缘层160，读出电流不能达到偏置铁磁体层150。电绝缘层160还使电引线102、104与偏置铁磁体层150绝缘。
现在说明供MTJ 100(图4)用的有代表性的材料的配置。MTJ 100的所有的层都在加上与衬底平行的磁场的情况下生长。该磁场用于给所有的铁磁体层的易磁化的轴定向。一个5nm的Ta种子层(未画出来)首先形成于一个用作电引线102的10-50nm Au层上。种子层由促进面心立方(fcc)Ni81Fe19模板层112的(111)生长的材料组成。模板铁磁体层112促进反铁磁体层116的生长。合适的种子层材料包括诸如Cu和Ta之类的fcc材料或诸如3-5nmTa/3-5nmCu之类的组合材料。MTJ基底电极叠层110由生长在10-20nm Au层102上边的Ta种子层上边的4nm Ni81Fe19/10nmFe50Mn50/8nm Ni81Fe19(分别为层112,116,118)的叠层构成。用作衬底的Au引线层102直接形成于铝间隙材料G1上边。其次，隧道势垒层120由淀积法形成，接着等离子体氧化一个0.5-2nm的Al层。这将形成Al2O3绝缘隧道势垒层120。顶部电极叠层130是一个5nm Ni-Fe/10nmTa叠层(分别为层132,134)。Ta层134用作保护性覆盖层。顶部电极叠层130通过一个用作电引线层104的20nm Au层进行接触。
注意，由于在MTJ100中电流垂直通过多个层，故MTJ设备的电阻将因隧道势垒层120而处于主要地位。因此，导电引线102、104的每一单位面积的电阻可以大大高于通常的电流平行于那些层流动的MR读出磁头的电阻。因此，引线102、104可以作得比在通常的MR磁头构造中更薄和/或更窄，和/或可以用从本质上说更为电阻性的材料，诸如合金或元素的组合来制作。
重要的是在底部电极叠层110中的那些层应当平滑，并且Al2O3绝缘隧道势垒层120没有使结电短路的针孔。例如，用熟悉的溅射技术来进行生长以求在金属多层叠层中产生良好的巨大的磁阻效应是能够胜任的。
一种替代的读出铁磁体层132可以在读出铁磁体层132和隧道势垒层120之间的界面上由薄的Co或Co(100-x)Fe(x)或Ni(100-x)Fe(x)(x近似为60)层和具有低的磁致伸缩(例如Ni(100-x)Fe(x)(x近似为19))的层132的体组成。具有一个薄的Co或Co(100-x)Fe(x)或Ni(100-x)Fe(x)(x近似为60)的界面层的这种类型的读出层的净磁致伸缩，采用稍微改变层132的组分的办法，被安排为具有接近于0的值。一个替代的固定铁磁体层118可以在具有隧道势垒层120的界面上，主要地由具有一个薄的Co或Co(100-x)Fe(x)或Ni(100-x)Fe(x)(x近似为60)层的体Ni(100-x)Fe(x)层构成。用Co或者具有最高极化率的Ni(100-x)Fe(x)(x近似为60)或者Co(100-x)Fe(x)合金(x近似为70)可以得到最大的信号。界面层最好是约1-2nm厚。组合层的净磁致伸缩采用使组分进行微小变化的办法，被安排为接近于0。如果层118的主体是Ni-Fe，那么组分就是Ni81Fe19，对于该组分，体Ni-Fe具有0磁致伸缩。
Fe-Mn反铁磁体层116可以用Ni-Mn层或其他合适的反铁磁体层代替，这些层交换偏置在固定层118中的铁磁体材料，且具有实质上小于Al2O3势垒层120的电阻的电阻。此外，虽然在优选实施例中，固定铁磁体层的磁矩已被界面上的交换耦合用一个反铁磁体层固定，该固定铁磁体层可以用从磁性上说‘硬的’高矫顽力材料形成，以避免需要一个反铁磁体层。因此，硬固定铁磁体层可以由各种铁磁体材料，诸如Co和一个或多个元素的合金，包括Co-Pt-Cr合金，Co-Cr-Ta合金，Co-Cr合金，Co-Sm合金，Co-Re合金，Co-Ru合金和Co-Ni-X(X=Pt,Pd，或Cr)合金，以及诸如Co-Ni-Cr-Pt和Co-Pt-Cr-B之类的各种四元素合金形成。
虽然已经说明并示于图4的MTJ设备在MTJ100的底部上边具有固定铁磁体层，该设备也可以用首先淀积读出铁磁体层，接着淀积隧道势垒层，然后淀积固定铁磁体层和反铁磁体层的办法形成。于是，这样一种MTJ设备将具有本质上与示于图4的MTJ100颠倒过来的层。
现在参照图5。图5以垂直于图4的视图的剖面的形式示出了本发明的后方磁通引导装置式MTJ MR磁头，该磁头在右边具有读出表面200或ABS。为便于说明，没有画出偏置铁磁体层150，而且在MTJ100中仅仅示出了铁磁体层、反铁磁体层和隧道势垒层。读出铁磁体层132具有一个读出边沿202和一个后面边沿203，读出边沿202基本上和读出表面200或ABS在同一平面上。固定铁磁体层118具有一个基本上与读出表面200或ABS共面的前面边沿206和后面边沿208。反铁磁体层116具有和固定铁磁体层118相连的边沿。隧道势垒层120具有一个也基本上与读出表面200或ABS共面的前面边沿210和一个后面边沿212，前面边沿210实质上和固定铁磁体层118的前面边沿206在一个平面上。读出铁磁体层203的后面边沿伸出到隧道势垒层212或者固定铁磁体层208的外边，不论哪个后面边沿都更靠近读出表面200。引线102形成在G1间隙层并且间隙层G2使引线104与磁屏蔽S2分开。G1和G2及在后面边沿202、206和212的后边的区域上的材料是电绝缘材料，理想的是氧化铝。就像人们在磁盘接触中保护磁头的技术中所熟知的那样，读出表面200或ABS在其上边可以具有一个保护性的覆盖层，诸如无定形金刚石类(diamoni-like)炭。
示于图3的MR传感器，诸如传感器40，被放置在可渗透的磁屏蔽S1和S2之间。在MTJ读出磁头位于该区域时，如图5所示，被检测的磁通就在空气-轴承表面200上进入自由铁磁体层132的前面边沿202且向着该层的后方边沿衰减。在该层的后方边沿203上磁通被限制成为零。某些入射磁通漏泄到磁屏蔽S1和S2。这种漏泄由屏蔽间隙宽度g，导磁率μ和在本发明中也用作磁通引导装置的自由铁磁体层厚度t决定。磁通随着特征长度(μtg/2)0.5而衰退。对于典型的参数5Gbit/in2，传感器是g=200nm,t=5nm和μ=1000。这将得到0.7微米的衰退长度λ。
在较早的说明供磁记录读出磁头用的MTJ装置的的美国专利5,390,061中，自由铁磁体层的后方边沿与固定铁磁体层的后方边沿相连或者比固定铁磁体层的后方边沿更靠近ABS。因此，在那些其中传感器的高度是可以与λ比较的或者小于λ(例如，在5Gbit/in2传感器中，传感器的高度是400nm)的高密度记录应用中，在传感器的工作区中(在ABS200和隧道势垒层120的后方边沿212或固定铁磁体层118的后方边沿208之间的区域，不论哪个边沿都更靠近ABS200)磁通被限制成为零。采用把自由铁磁体层132扩展到传感器的工作区之外的办法，借助于把一个磁通引导装置附加到自由铁磁体层的后方边沿上，那么磁通将仅仅在后方磁通引导装置上被限制成为零。因此，在传感器的工作区中磁通的量增加到超出在不存在诸如后方磁通引导时的量。因此，具有后方磁通引导的MTJ传感器的输出信号在传感器的工作区增强了一个额外的磁通量。
由于电流垂直于隧道结流动，因此对于形成隧道结的磁通引导装置的部分来说，电流不会被扩展到隧道结之外的自由铁磁体层的部分分流。虽然在图5的优选实施例中隧道势垒层210的后面边沿212、208，分别和固定铁磁体层118是共面的，但是它们并非一定要是共面的，只要自由铁磁层132的后面边沿212、208与读出表面200的距离较后面边沿212、208中任何一个距离读出表面200更远即可。这是因为垂直流过隧道势垒层210的电流是由后面边沿212、208中的任何一个更靠近读出表面200的那个来确定的。因此，读出铁磁体层132的后面边沿203被定位为比隧道势垒层210的后面边沿212更远，如果后面边沿212比固定铁磁体层118的后面边沿208更靠近读出表面200的话。同样，读出铁磁体层132的后面边沿203被定位为比固定铁磁体118的后面边沿208更远，如果后面边沿208比隧道势垒层210的后面边沿212更靠近读出表面200的话。
虽然优选实施例是相对于图5来示出和说明的，第一引线120被画成具有扩展到反铁磁体层116和固定铁磁体层118的后面边沿之外的后面边沿，该第一引线102可以具有基本上与反铁磁体层116和固定铁磁体层118的后面边沿共面的后面边沿。还有，虽然第2引线104被画成为具有和自由铁磁体层132的后面边沿203共面的后面边沿，第2引线104可以具有伸出到自由铁磁体层132的后面边沿之外的后面边沿。同样，第2引线104可以具有比自由铁磁体层132的后面边沿更靠近ABS200的后面边沿，只要其后面边沿比传感器的工作区的后方边沿距ABS200更远。
在一个可供选择的实施例中在其上边已形成了第1引线102的衬底是第1磁屏蔽S1，而第2磁屏蔽S2则形成在第2引线104上。屏蔽S1和S2由Ni-Fe或者Ni-Fe-Co合金构成，且是导电性的。因此在本实施例中将提供一条通过屏蔽S1到第1引线102，且垂直地通过隧道结到第2引线104和第2屏蔽S2的导电路径。本实施例消除了绝缘间隙G1、G2的需要，尽管如图5所示绝缘材料在隧道结的前面和后面仍然是需要的。
制造凹进式MTJ MR读出磁头的工艺对于AMR或其中读出电流平行于传感器的层流动的旋转阀门传感器来说，由于磁通引导装置和传感器必须是电绝缘的，使得不分流来自传感器的电流，所以使磁通引导装置贴近传感器是困难的。而磁通引导装置和传感器还必须进行磁耦合。这可以采用使电解质层与传感器绝缘而后使磁通引导装置的形状对准到传感器上的办法来实现。对传感器的高效率的磁耦合需要0.1微米的对准精度，而电解质层的厚度是5微米到10微米，借助于用来制造MR磁头的现今的技术实现上述两点中的哪一点都是困难的。但是，如果应用一个磁隧道结传感器，其中电流垂直地流到传感器的层中去，则磁通引导装置不再需要与读出层电绝缘。后方磁通引导装置就象在图5中的优选实施例所表明的那样可以是自由铁磁体层的连续的扩展。
参照图6，说明形成后方磁通引导装置式MTJ MR读出磁头的工艺。需要两个平版印刷图形步骤。一个定义固定铁磁体层118的后面边沿，一个定义自由铁磁体层132的后面边沿。该MTJ MR读出磁头是制造在一层绝缘体上，一般如图5所示是在氧化铝上，但是也可以直接制造在底磁屏蔽层S1上。
如图6A所示，工艺开始先淀积供引线层102、反铁磁体层116、固定铁磁体层118用的材料和诸如铝之类的最终被氧化以形成隧道势垒层120的材料。引线材料可以是各种导体材料，诸如Ta,Al,Au,W和Pt之类的材料，典型的厚度在100到500埃的范围之内。反铁磁体层116可以从许多熟悉的材料，诸如Fe-Mn,NI-Mn,Pt-Mn,Ir-Mn和Pd-Mn和Cr-Al中选择。反铁磁体层116的典型厚度是在7到300埃的范围内。固定铁磁体层118最好是一种Ni-Fe合金或Ni-Fe合金与Co薄膜的双层。Ni-Fe合金层的典型的厚度是20到100埃而Co层的典型厚度是2到20埃。用于隧道势垒氧化物层120的铝的厚度一般是5到20埃的范围。
在通常用离子束或者RF或DC磁控管溅射法淀积上这些层之后，用防蚀剂230使这些层图形化以定义示于图6B的所希望的形状，这是图6A的顶视图。接着，如图6C所示，进行离子铣蚀以去掉未被防蚀剂保护的材料。现在，在层G1上边，用图6D所示的形状，形成引线层102、反铁磁体层116、固定铁磁体层118和隧势垒层。防蚀剂层230一般是一个具有侧蚀的双层防蚀剂。在图6C的离子铣蚀步骤之后，用离子束或RF溅射淀积一层绝缘体232，一般是淀积一层氧化铝或者SiO2以对图形的边沿密封，之后，剥离防蚀剂层230，得到示于图6E-6F的构造。在该第1平版图形化步骤中固定铁磁体层118的后方边沿208被设定为参考点。
在进行图形化以形成图6E-6F的构造之后，在其中将变成隧道势垒层120的铝在氧压为100mTorr和功率密度为25W/cm2被等离子体氧化30-240秒。这样将形成氧化铝的绝缘隧道层120。
其次，如图6G-6H所示，淀积自由铁磁体层132和引线层104。自由铁磁体层132一般是Ni-Fe合金或者Co和Ni-Fe合金的双层，对于Ni-Fe合金厚度为10到200埃，对于Co，厚度为2到20埃。引线104用与对引线102说明过的相同的材料和厚度形成。
在用离子束或者RF或DC磁控管溅设淀积了层132、104之后，如图6I-6J所示，自由铁磁体层132和引线层104用防蚀剂240形成图形以确定所希望的形状。典型地说，防蚀剂240一般是一具有侧蚀(undercut)的双层防蚀剂。然后，如图6K-6L所示，离子铣蚀去掉没有用防蚀剂240保护的那些材料。在图6K的离子铣削步骤之后，用离子束或RF溅射淀积一层绝缘体242，一般是淀积一层氧化铝或者SiO2以对图形的边沿密封，之后，剥离防蚀剂层240，得到示于图6M-6N的构造。在该第2平版图形化中确定的一个重要的特点是自由铁磁体层132的宽度，即将要暴露在ABS上的的宽度w。这一步骤也确定后面边沿203，使得自由铁磁体层132从ABS中伸出去并越过势垒层120的前面边沿210和后面边沿212，在后面边沿212之外结束。如上所述，在传播中，这有助于使磁通有效地通过由隧道势垒层120和固定铁磁体层118和ABS200的后面和前面边沿确定的整个有效隧道结区域。
以上的工艺也可以用于向还用作磁通引导装置的自由铁磁体层132，提供纵向偏置或稳定化就像前边对图4所示的偏置铁磁体层150所说明的那样。特别是示于图6K-N的那些步骤被修改为使得不用淀积氧化铝层242和接下来剥离防蚀剂240，而代之以连续的淀积氧化铝，硬偏置铁磁体材料，和另一层氧化铝，并接着进行剥离。所得到的构造示于图7，这是读出表面200的视图。图7示出了在读出表面200上暴露前面边沿的读出铁磁体层132和第2引线104。此外，还示出了偏置铁磁体层150的暴露出来的边沿。在硬偏置铁磁体层150和读出铁磁体层132之间的区域，用诸如氧化铝之类的绝缘材料形成了第1引线102(因为它从读出表面200凹了进去，故用虚线表示)和第2引线104。典型的氧化铝的厚度是在100到500埃的范围之内，硬偏置铁磁体材料通常是具有厚度可调整为提供自由铁磁体层132的1到3倍的磁矩的Co-Pt合金。第1氧化铝绝缘物覆盖读出铁磁体形状的边沿，第2氧化铝绝缘物覆盖硬偏置材料的顶部表面。在剥离之后，最后的图形化步骤被用于去掉不希望的硬偏置铁磁体材料的区域。
引线、自由和固定铁磁体层、隧道氧化物、和反铁磁体层的总的厚度受限于屏蔽S1和S2之间的总的间隔距离。对于5Gbit/in2的传感器这一数字范围从1000到2000埃。在两个屏蔽之间有中心定位于该间隙中的自由铁磁体层132是有利的。该层可以用调整引线104、102的厚度之比的办法完成。
在引线104和自由铁磁体层132已经图形化和MTJMR磁头构造实质上已经完成但却剩下重叠步骤来形成ABS200之后，仍然需要把固定铁磁体层118的磁化方向(磁矩)调准到合适的方向。如果把Fe-Mn用作和固定铁磁体层118交换耦合的反铁磁体层116，则就象已淀积的那样，它就是反铁磁体层。但是其磁化方向必须重新进行调整，使得可以在合适的方向上交换耦合固定铁磁体层118。该构造被放置在一个退火炉中且温度被升到比Fe-Mn的成型温度高的约180℃。在该温度下，Fe-Mn层不再和固定铁磁体层118发生交换各向异性。铁磁体层118的交换各向异性采用在磁场中冷却一对层116和118的办法形成。固定铁磁体层118的磁化方向将沿着外加磁场的方向。因此在退火炉中外加磁场使得固定铁磁体层118的磁矩，如图4中箭头119所示，被固定为沿着所需的方向垂直于ABS。这是在存在着铁磁体层118的情况下，冷却Fe-Mn，在所需的方向上，用外加磁场磁化后的结果。因此，在低于Fe-Mn成型温度的温度下，在存在着来自记录媒体的外加磁场的情况下，固定铁磁体层118的磁化方向将基本上不旋转。
作为一个示于图5的实施例的可供选择的构造，引线104和自由铁磁体层132可以首先形成在G1衬底上，同时，在制造工艺期间，固定铁磁体层118，反铁磁体层铁磁体层116，和引线102在MTJ的“顶”上。
虽然参考优选实施例详细地示出并说明了本发明，本领域的人员将会明白在形式和细节上可以有各种变化而不会偏离本发明的精神和范围。因此，应当仅仅把所公布的发明看做是说明性的，而仅仅受限于权利要求中所指定的范围。
权利要求
1.一种用来在连接到读出电路上时，读出以磁性方式记录在媒体上的数据的磁性隧道结磁阻读出磁头，该磁头具有基本上是平面的读出表面，在磁记录数据被读出时，该读出表面一般说被安排为平行于媒体表面，上述读出磁头的特征是具有一个具有形成读出表面的一部分的边沿的衬底；一个形成在该衬底上的第1导电性引线；一个形成在第1引线上且具有和读出表面基本上是共面的前面边沿和位于比前面边沿距读出表面更远的后面边沿的固定铁磁体层，固定铁磁体层的磁化方向被固定为沿着优选方向，使得在存在有来自媒体的外加磁场的情况下，基本上可以防止转动；一个读出铁磁体层，具有一个基本上与读出表面共面的读出边沿和一个后面边沿，读出铁磁体层的磁化方向被定向为一般在不存在着外加磁场的情况下垂直于固定铁磁体层的磁化方向，而在存在来自媒体的外加磁场的情况下磁化方向自由旋转；一个绝缘隧道势垒层，定位于固定和自由铁磁层之间并和固定及自由铁磁体层接触，用来允许隧道化电流在通常垂直于固定和自由铁磁体层的方向上流动，该隧道势垒层具有一个基本上与读出表面共面的前面边沿和后面边沿，后面边沿被定位为比前面边沿距读出表面更远；一个形成在读出铁磁体层上边的第2导电性引线；并且其中，如果隧道势垒层的后面边沿比固定铁磁体层的后面边沿更靠近读出表面，则读出铁磁体层的后面边沿定位为比隧道势垒层的后面边沿距读出表面更远，如果固定铁磁体层的后面边沿比隧道势垒层的后面边沿距读出表面更近，则读出铁磁体层的后面边沿定位为比固定铁磁体层的后面边沿距读出表面更远。
2.权利要求1所述的磁头，其特征是隧道势垒层的前面边沿和固定铁磁体层的前面边沿基本上是共面的。
3.权利要求1所述的磁头，其特征是隧道势垒层的后面边沿与固定铁磁体层的后面边沿基本上是共面的，读出铁磁体层被定位于比隧道势垒层和固定铁磁体层的共面的后面边沿距读出表面更远。
4.权利要求1所述的磁头，其特征是还具有一个与固定铁磁体层接触的反铁磁体层，用于采用界面间交换耦合的办法固定固定铁磁体层的磁化方向，该反铁磁体层具有与读出表面基本上是共面的前面边沿。
5.权利要求1所述的磁头，其特征是反铁磁体层，固定铁磁体层，和隧道势垒层的后面边沿基本上是共面的。
6.权利要求1所述的磁头，其特征是第1电引线直接形成在衬底上，反铁磁体层位于第1电引线和固定铁磁体层之间，固定铁磁体层直接形成在反铁磁体层上边并和反铁磁体层接触，从而固定铁磁体层的磁化方向用和反铁磁体层进行界面间交换的办法固定。
7.权利要求1所述的磁头，其特征是读出铁磁体层的磁化方向，在不存在外加磁场的情况下，一般平行于读出表面。
8.权利要求1所述的磁头，其特征是还包括有下述部分；一个偏置铁磁体层，用于在不存在外加磁场的情况下把读出铁磁体层的磁化方向纵向偏置到一般垂直于固定铁磁体层的磁化方向；和一个位于偏置和读出铁磁体层之间，用于使偏置层和读出层电绝缘的电绝缘层，其中电引线与偏置层用该绝缘层绝缘，从而当一个读出电流在固定铁磁体层和读出铁磁体层之间通过时，它一般垂直地通过隧道势垒层而不会流入偏置层中。
9.权利要求1所述的磁头，其特征是磁头是在其中读出磁头被写入磁头屏蔽的那种类型的集成化读/写磁头的一部分，而上述衬底是供读出磁头用的第1屏蔽。
10.权利要求9所述的磁头，其特征是还包括一个形成于第1屏蔽上边的电绝缘性间隙材料层，并且第1电引线层形成在间隙材料层上边。
11.权利要求1所述的磁头，其特征是还包括一个第2衬底，其中第1引线，读出铁磁体层，隧道势垒层和第2引线形成一个位于第1和第2衬底之间的叠层；还包括一个位于上述叠层与第1和第2衬底之间的绝缘材料。
12.权利要求11所述的磁头，其特征是磁头是在其中读出磁头是进行了磁屏蔽的那种类型的集成化读/写磁头的一部分；第2衬底是把读出磁头与写入磁头分开来的第2屏蔽。
13.权利要求1所述的磁头，其特征是还包括连接到第1和第2引线上的读出电路。
14.权利要求1所述的磁头，其特征是该衬底是第1导电性磁屏蔽，第1引线形成在第1屏蔽上边，其中在第1屏闭和第1引线之间提供一个导电性的路径。
15.权利要求14所述的磁头，其特征是还包括一个形成在第2引线上的第2导电性磁屏蔽，以此来提供一个从第1屏蔽到第1引线和通过隧道势垒层到第2引线和第2屏蔽的导电性的路径。
16.权利要求1所述的磁头，其特征是该磁头是用来从磁记录磁盘中读出数据的那种类型的磁头，还包括一个具有一个在来自磁盘的数据用磁头和一般垂直于ABS的跟踪末端表面读出时面朝磁盘的表面的空气-轴承表面(ABS)的空气-轴承浮动块，该浮动块跟踪末端表面是在其上边形成第1电引线的衬底，浮动块ABS是磁头的读出表面。
17.一种用来在连接到读出电路上时，读出以磁性方式记录在媒体上的数据的磁性隧道结磁阻读出磁头，该磁头具有基本上是平面的读出表面，在磁记录数据被读出时，该读出表面一般说被安排为平行于媒体表面，上述读出磁头的特征是具有一个具有形成读出表面的一部分的边沿的衬底；一个形成在该衬底上的第1导电性引线；一个形成在第1引线上且具有与读出表面基本上是共面的前面边沿和位于比前面边沿距读出表面更远的后面边沿的固定铁磁体层；一个反铁磁体层，该反铁磁体层和固定铁磁体层接触，用来采用界面间交换耦合的办法沿着一个优选方向固定固定铁磁体层的磁化方向使得它基本上在存在着来自媒体的外加磁场的情况下不能旋转，该反铁磁体层具有一个基本上与读出表面共面的前面边沿；一个读出铁磁体层，具有一个基本上与读出表面共面的读出边沿和一个后面边沿，读出铁磁体层的磁化方向被定向为一般垂直于固定铁磁体层的磁化方向，并且一般在不存在外加磁场的情况下，平行于读出表面，而在存在着来自媒体的外加磁场的情况下磁化方向自由旋转；一个绝缘隧道势垒层，定位于固定及自由铁磁体层之间并与之接触，用来允许隧道化电流在通常垂直于固定和自由铁磁体层的方向上流动，该隧道势垒层具有一个与读出表面基本上是共面的前面边沿和一个后面边沿，后面边沿被定位于比前面边沿距读出表面更远；一个形成在读出铁磁体层上边的第2导电性引线；并且其中，如果隧道势垒层的后面边沿比固定铁磁体层的后面边沿更靠近读出表面，则读出铁磁体层的后面边沿定位为比隧道势垒层的后面边沿距读出表面更远，如果固定铁磁体层的后面边沿比隧道势垒层的后面边沿距读出表面更近，则读出铁磁体层的后面边沿定位为比固定铁磁体层的后面边沿距读出表面更远。
18.权利要求17所述的磁头，其特征是反铁磁体层，固定铁磁体层和隧道势垒层的前面边沿基本上是共面。
19.权利要求17所述的磁头，其特征是隧道势垒层的后面边沿与固定铁磁体层的后面边沿基本上是共面的，读出铁磁体层的后面边沿被定位于比隧道势垒层和固定铁磁体层的后面边沿距读出表面更远。
20.权利要求17所述的磁头，其特征是第1电引线直接形成在衬底上，反铁磁体层位于第1电引线和固定铁磁体层之间，固定铁磁体层直接形成在反铁磁体层上边并与反铁磁体层接触。
21.权利要求17所述的磁头，其特征是还包括有下述部分一个偏置铁磁体层，用于在不存在外加磁场的情况下把读出铁磁体层的磁化方向纵向偏置到一般垂直于固定铁磁体层的磁化方向；和一个位于偏置和读出铁磁体层之间，用于使偏置层和读出层电绝缘的电绝缘层；其中电引线与偏置层用该绝缘层绝缘，因此当一个读出电流在固定铁磁体层和读出铁磁体层之间通过时，它一般垂直地通过隧道势垒层而不会流入偏置层中。
22.权利要求17所述的磁头，其特征是该读出磁头是下述类型的集成化读/写磁头的一部分其中，读出磁头被进行了磁屏蔽，上述衬底是供读出磁头用的第1磁屏蔽。
23.权利要求22所述的磁头，其特征是还包括一个形成于第1屏蔽上边的电绝缘性间隙材料层，并且第1电引线层形成在间隙材料层上边。
24.权利要求17所述的磁头，其特征是还包括一个连接到第1和第2引线上的读出电路。
25.权利要求17所述的磁头，其特征是衬底是第1导电性磁屏蔽，第1引线形成于该第1屏蔽上边；还包括一个形成在第2引线上的第2导电性磁屏蔽，以此来提供一个从第1屏蔽到第1引线和通过隧道势垒层到达第2引线和第2屏蔽的导电性的路径。
26.权利要求17所述的磁头，其特征是该磁头是用来从磁记录磁盘中读出数据的那种类型的磁头，还包括一个具有一个在来自磁盘的数据用磁头和一般垂直于ABS的跟踪末端表面读出时面朝磁盘的表面的空气-轴承表面(ABS)的空气-轴承浮动块，该浮动块跟踪末端表面是在其上边形成第1电引线的衬底，浮动块ABS是磁头的读出表面。
全文摘要
一种用于磁性记录系统的磁性隧道结(MTJ)磁阻读出磁头,具有MJH读出或自由铁磁体层,该层也起着一个把磁通从磁记录媒体引导到隧道结上来的磁通引导装置的作用。该MTJ固定铁磁体层和该MTJ隧道势垒层具有与磁头读出表面基本上是共面的前面边沿。固定和自由铁磁体层两者都和MTJ隧道势垒层的相对面的表面接触,但自由铁磁体层伸出到或者是隧道势垒层或者是固定铁磁体层的后面边沿之外,无论哪个后面边沿更靠近读出表面。这将保证在隧道结区域内磁通为非零。
文档编号G11B5/39GK1215879SQ9812342
公开日1999年5月5日 申请日期1998年10月23日 优先权日1997年10月24日
发明者小罗伯特·E·方塔纳, 斯图阿特·S·P·帕金, 秦华苍(音译), 马森·L·威廉姆斯 申请人:国际商业机器公司