CN1223431A - 屏蔽式磁性隧道结磁阻读出磁头 - Google Patents

屏蔽式磁性隧道结磁阻读出磁头 Download PDF

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Abstract

一种用于磁性记录系统的磁性隧道结(MTJ)磁阻读出磁头,具有定位于两个分隔开来的磁屏蔽之间的MTJ设备。该磁屏蔽允许磁头从磁性记录媒体中检测独立的磁跃迁而不受相邻跃迁的影响,此外该屏蔽还起着用于把磁头连接到读出电路上的电引线的作用。导电性隔离层被定位于MTJ设备的顶部和底部上并把MTJ设备连接到屏蔽上。隔离层的厚度被选定为优化屏蔽之间的间隔,该间隔是一个控制可以从磁性记录媒体中读出的数据的线分辨率的参数。

Description

屏蔽式磁性隧道结磁阻读出磁头
本申请涉及同时提出的两个申请。一个申请的编号为08/957699，标题为“MAGNETIC TUNNEL JUNCTION MAGNETORESISTIVEREAD HEAD WITH SENSING LAYER AS FLUX GUIDE”(‘具有用作导引磁通的敏感层的磁性隧道结磁阻读出磁头’)，另一个申请的编号为08/957788，标题为“MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONMAGNETORESISTIVE READ HEAD WITH SENSING LAYER ASREAR FLUX GUIDE”(‘具有用作引导后方磁通的敏感层的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，且以自旋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。隧道现象是决定于电子自旋的，使得MTJ的磁响应成为两个铁磁体层的相对取向和自旋极化的函数。
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。电荷载流子通过绝缘隧道势垒层的隧道现象的概率取决于两个铁磁体层的磁矩(磁化方向)的相对取向。隧道电流是被自旋极化的，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，主要由一种自旋类型的(顺时针自旋或逆时针自旋，取决于铁磁体层的磁矩的方向)的电子组成。隧道电流的自旋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铁磁体层例如用作自旋滤波器。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自旋极化相同的自旋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自旋极化和电子状态。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磁感元件的电阻的变化，作为正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，它的工作是以磁性材料(典型的是坡莫合金(Ni81Fe19)的各向异性磁阻(AMR)效应为基础的。一个读取元件电阻的组成部分，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，在读取元件中，在磁化方向上将引起一个变化，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(诸如在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磁头的铁磁体层的方向上。
在美国专利5390061中，讲述了将一种MTJ设备作为供磁性记录用的磁阻读出磁头的应用。在该MTJ读出磁头中，供往MTJ设备的读出电流，是利用位于MTJ设备的上边和下边的薄的金属层式的电极加上去的。该电极一般具有几百埃的厚度。一般磁阻(MR)读取元件被定位于厚的高导磁率磁性层或屏蔽之间，上述屏蔽，就如′061专利中的图10中所示，利用有足够厚度的非导电性层使上述电极被电绝缘。对于高的表面密度磁性记录应用，随着存储信息的磁性位的尺寸的减小，MR读出磁头和有关部件的尺寸必须减小。特别是在磁屏蔽之间(MR读出磁头一般位于它们之间)的空间的厚度，必须减小厚度，以使得MR读出磁头能够读出具有位长度已经减小了的磁性位。MTJ设备和电引线及绝缘层的厚度不可能作得无限小，因此，最大可能的表面密度最终将达到一个极限值。于1996年11月27号提出申请的IBM公司的编号为08/757422的专利申请讲述了一个具有纵向偏置的MTJ MR读出磁头，其中，MTJ设备具有连接到MR读出电路上去的电引线。该引线和绝缘间隙材料接触，而间隙材料和磁屏蔽接触，使该引线与屏蔽之间电绝缘。
人们需要的是一个具有包括其读出引线的MTJ设备的读出磁头，该磁头可以被作得足够地薄以便借助于减小磁屏蔽之间的空间来实现高表面密度。
本发明提供了一个用于磁性记录系统的MTJ MR读出磁头，其中，MTJ位于分隔开来的磁屏蔽之间。允许磁头从磁性记录媒体中检测个别磁跃迁而不受相邻跃迁影响的该磁屏蔽还起着把磁头连接到读出电路上去的电引线的作用。导电性隔离层被定位于MTJ的顶部和底部并把MTJ连接到屏蔽上。隔离层的厚度被选择用来优化屏蔽之间的空间，它是控制可以从磁性记录媒体中读取的数据的线性分辨率的参数。如果屏蔽之间的空间太小，为了减小屏蔽间的电短路的可能性，每一屏蔽都可以有一个支座区，同时具有定位于两个支座之间的MTJ，使得在支座区外边的屏蔽之间的间隔大于支座区之内的间隔。
为了更为完整了解本发明的性质和优点，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是图1的驱动器拿掉机壳的顶视图。
图3是现有的集成化电感式写入磁头/具有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的MR读出磁头的MR读出磁头的纵剖面图。
图4A是通过本发明的MTJ MR读出磁头的MTJ剖开的局部剖面图，用于说明流过用作电引线且垂直地通过MTJ的磁屏蔽的读出电流的方向。
图4B是本发明的MTJ MR读出磁头的局部剖面图，用于说明MTJ和其他层相对于磁头的读出端的位置。
图5是说明本发明的MTJ MR读出磁头的一个实施例的局部剖面图，其中，MTJ被定位于磁屏蔽的支座区之间。
图6A-6E说明了本发明的制造MTJ MR读出磁头的步骤。
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。该磁盘驱动器包括一个基座10，在其上边固定有一个磁盘驱动电机12和一个传动器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)，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通过电线插孔18连接到驱动电机12上，以便利用驱动电机12使它转动。磁盘16的表面上有一层薄的润滑薄膜50。一个读/写磁头或者变换器25形成在磁头支架(例如空气轴承滑动器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。滑动器20利用一个刚性的臂22和一个悬挂物24连接到传动器14上。悬挂物24提供一个偏置力，把滑动器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，而且一般讲是一线性或旋转话音线圈电机的传动器14，通常辐射状地移动滑动器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是一拿掉罩子11的磁盘驱动器的内部的顶视图，该图并且更好的说明对滑动器20提供一个力以把磁盘16往前推的悬挂物24。该悬挂物可以是现有类型的悬挂物，诸如IBM公司在美国专利4167765中所述的那种人们所熟悉的Watrous悬挂物。这种类型的悬挂物还提供一种滑动器的万向接头式的附加物，它使得滑动器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送往磁盘驱动电子线路(未画出)。
图3是由MR读出磁头部分和电感式写入磁头组成的集成化读/写磁头25的剖面图。磁头25重叠起来以形成磁头支架的读出表面，诸如一种空气轴承滑动器型磁头支架的空气轴承表面(ABS)。读出表面或ABS就如上边讨论过的那样利用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。从MR传感器40上引出来以和芯片15(图2)中的读出电路连接的电极(未画出)与传感器40接触并被定位于MR传感器40和间隙层G1、G2之间。因此，间隙层G1、G2与从屏蔽S1、S2引出来电引线绝缘。在现有的磁盘驱动器中，MR传感器40是一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又夹在第1和第2磁极片P1和P2之间。间隙层G3被夹在在磁极顶端上邻近ABS的第1和第2磁极片P1、P2之间，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)和驱动器电子线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。在一个背负式磁头(未画出)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传动器，而且每一传动器都可以支持许多滑动器。此外，不用空气轴承滑动器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。
优选实施例
本发明是一种具有MTJ传感器的MR读出磁头，用于取代图3的读/写磁头25中的MR传感器40。
图4A是本发明的一个实施例的MTJ MR读出磁头的剖面图，该剖面是一平面，其边沿在图3中用线42表示，而且是从磁盘表面上看的视图。因此，图4A的纸面是一平行于ABS的平面而且基本上通过有源读出区，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。图4B是一垂直于图4A的视图的剖面图，且在右边具有读出表面200或ABS。
参看图4A-4B。MTJ MR读出磁头包括一个直接形成于第1磁屏蔽S1上的导电性隔离层102，在下边且和第2磁屏蔽S2直接接触的导电性隔离层104，和作为一个多层叠层形成于导电性隔离层102、104之间的MTJ 100。现在磁屏蔽S1、S2既用作磁屏蔽又用作用于把MTJ 100连接到读出电路上去的导电性引线。这种情况示于图4A，用箭头表示电流流过第1屏蔽S1的方向，垂直地通过隔离层102、MTJ 100、隔离层104并通过第2屏蔽S2输出。
MTJ 100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。
形成在隔离层102上边的基底电极层叠层110包括一个在隔离层102上边的种子(seed)层或者‘模板(template)’层112，和一个形成在上边且与在下边的铁磁体层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铁磁体层上，因此其磁化方向在加上所感兴趣的范围的磁场时是可自由旋转的。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4A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，其磁化方向已借助于与紧下边的反铁磁体层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4A中从纸面中出来或者进入纸面(如箭尾119所示)。
在图4A中，还示出了一个用于对读出铁磁体层132的磁化进行轴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MTJ 100的其他的层。为了便于说明，在图4B中没有画出偏置铁磁体层150。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(理想的是氧化铝(Al2O3)或二氧化硅(SiO2)，具有足够使偏置铁磁体层150与MTJ 100和隔离层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近似于19)大约是适合用作偏置铁磁体层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。
方向为从制作第1屏蔽S1的导电性材料到第1隔离层102的读出电流I，垂直通过反铁磁体层116，固定铁磁体层118，隧道势垒层120和读出铁磁体层132后，到达第2隔离层104并通过第2屏蔽S2输出。如上所述，通过隧道势垒层120的隧道电流的量，是与隧道势垒层120相邻和相接触的固定和读出铁磁体层118、132的相对磁化方向的函数。来自记录下来的数据的磁场使得读出铁磁体层132的磁化方向旋转偏离开方向133，即从图4A的纸面进入或出来。这将改变铁磁体层118、132的磁矩的相对取向，因此将改变隧道电流的值，这种改变反映为MTJ 100的电阻的改变。电阻的这一改变用磁盘驱动器电子线路进行检测并被加工成来自磁盘的数据回读。通过屏蔽S1、S2的读出电流被电绝缘层160阻挡住不能到达偏置铁磁体层150，电绝缘层160也使偏置铁磁体层150与MTJ 100及其它的隔离层102、104绝缘。
现在说明供MTJ 100(图4A-4B)用的有代表性的材料的配置。MTJ100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)首先形成于一个10-50nm的用作隔离层102的Culayer上边。合适的隔离层材料是如下这些材料：它们是导电性的，但是因为该隔离层是很薄的，故对导电率的值没有严格的要求。因此导电率比Cu小得多的可以采用，如果它们能形成具有恰当的平滑度的适当的层，以使在这些层上边依次生长组成MTJ设备100的各种薄层。一个对示于图4A和4B的实施例的附加的要求是，在工作的时候，作为在ABS上偶然地接触到磁盘上的结果，隔离层材料并不会立刻擦到空气轴承表面上。如果MTJ设备和隔离层从ABS上如下述那样地凹进去，使得隔离层绝不可能与MTJ MR磁头将要读出的磁盘接触，则无上述要求。种子层是由一种促进面心立方(fcc)Ni81Fe19模板层112的(111)生长的材料组成。模板铁磁体层112加强了反铁磁体层116的生长。合适的种子层材料包括诸如Cu和Ta之类的fcc金属或诸如3-5nmTa/3-5nmCu之类的组合层。MTJ基底电极叠层110由生长在10-20nmCu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Cu隔离层102直接形成于形成第1屏蔽S1的材料的上边。其次，隧道势垒层120由淀积法形成，接着再等离子体氧化一个0.5-2nm 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在加工期间用作供MTJ 100的防腐蚀用的覆盖层。顶部电极叠层130通过一个用作隔离层104的20nmAu层进行接触。
重要的是在底部电极叠层110中的那些层应当平滑和Al2O3绝缘隧道势垒层120没有使结电短路的针孔。例如，用熟悉的溅射技术在金属多层叠层中产生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)(X近似为70)或Ni(100-X)Fe(X)(X近似为60)层组成，层132整体具有低的磁致伸缩(例如Ni(100-X)Fe(X)(X近似为19))。具有一个薄的Co或Co(100-X)Fe(X)(X近似为70)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整体的组分的办法，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)(X近似为70)或Ni(100-X)Fe(X)(X近似为60)层的体Ni(100-X)Fe(X)(X近似为19)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小的变化的办法，被安排为接近于0。如果层118的整体是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，CoSm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4A-4B的MTJ设备在MTJ 100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4A-4B的MTJ 100颠倒过来的层。
为了实现高表面密度(磁盘表面的单位面积所存储的数据量)，MTJ100及其有关的隔离层102、104，如图4A-4B所示，被直接地放置在磁屏蔽S1和S2之间，而不需要用于隔离的电引线层和把引线与屏蔽分离开来的绝缘间隙材料。由相对厚的高导磁率磁性层构成的磁屏蔽，允许MR传感器检测单独的磁跃迁而不受相邻跃迁的影响。因此，MR传感器可以用比其它可能的传感器较小的位长度检测磁位。MR传感器的分辨率由磁屏蔽S1、S2(参看图4B)之间的间隔和读出表面200与磁盘上边的磁膜之间的距离S决定。例如，在具有传感器到磁膜的间隔为0.02微米的磁盘驱动器中，为了检测被隔开的每英寸125000位线性磁位密度(等效于每微米5个跃迁)，在屏蔽层S之间的间隔应为～0.2微米。
在本发明中，屏蔽S1、S2必须是导电性的而且应具有适当高的导磁率。该屏蔽可以用各种NiFeX合金(其中X是Ta,Rh,Pt或Nb)或CoZrNb合金或者硅铝铁磁(FeSiAl)合金形成。如图4B所示，本发明允许采用被用来电绝缘传感器的绝缘间隙层G1和G2(图3)的组合厚度使间隔S减小厚度。间隔S当然可以采用减小隔离层102和104的厚度的办法在厚度上进一步减小。虽然在原理上说任何与MTJ设备串联的电阻都将减小MTJ设备的信号的幅度，但是，本发明的MTJ MR读出磁头中的隔离层102和104的电阻是可以忽略的。
在示于图3的现有技术中，如果间隙层G1和G2作得太薄，则就有可能使MR传感器40的引线与屏蔽S1及S2电短路。在本发明的MTJMR读出磁头中，这一问题已被消除，因为屏蔽现在起着把MTJ连接到读出电路上去的电引线的作用。
在本发明的设备中，在屏蔽S1和S2之间的间隔的减小将导致MTJMR磁头的线性分辨率的相应的增加。这一点通过下边的例子就可明白。典型的设备100的厚度是～66nm(由5nm Ta+15nm Pt+4nm Ni81Fe19+10nm Fe50Mn50+6nmNi81Fe19+1nmAl2O3+5nm Ni81Fe19+20nmTa组成)。一般绝缘间隙层G1和G2的最小厚度每个可以是～20nm。因此，如果MTJ设备100用在应用间隙层G1、G2的构造中，在S1和S2之间的间隔是～106nm。这将导致相应于每英存储～250000个跃迁(假定位长度仅仅比间隙间隔稍小)的线性分辨率。当隔离层102、104被直接地连接到相应的屏蔽S1、S2上去时，间隙层G1和G2将被去掉，在屏蔽之间的间隔件被减小到～66nm。因此，MR磁头的线性分辨率将增加到每英寸～400000个跃迁。此外，如果隔离层102和104的厚度每个减小到～7.5nm，采用在其他方面相同的MTJ MR设备100，达到每英寸～500000个跃迁这一更高的分辨率是可能的。因此，采用使用隔离层102、104并选择器厚度的办法，间隔距离S可以优化为把MTJ MR读出磁头设计为以所希望的线性分辨率工作。
本发明的MTJ MR读出磁头适合于超密磁记录应用。应用由2nm厚的Cu隔离层102和104,5nm厚的IrMn交换偏置层116,2.5nm厚的Co固定铁磁体层118,1nm厚的Al2O3隧道势垒层120和3nm厚的自由Ni81Fe19自由铁磁体层组成的构造，可以形成组合厚度仅仅13.5nm厚的MTJ设备和隔离层。因此，每英寸超过150000个跃迁的线性密度是可能的。
在本发明中，自由铁磁体层132可以不直接和磁屏蔽S2接触，因为该层的磁矩接着将通过交换耦合固定到屏蔽的磁矩上，因此，将不可能最佳地响应来自磁盘媒体的磁跃迁的磁通。同样，最好是反铁磁体交换偏置层116也不和屏蔽S1直接接触，因为屏蔽的磁学性质将被改变。特别是屏蔽的导磁率在反铁磁体层的区域中将被减少。因此，隔离层102、104分别提供与层116、132的电连接，同时使这些层与屏蔽S1、S2绝缘。但是，在本发明中，如果用合适的材料制作且形成合适的厚度的话，模板层112与反铁磁体层116的接触和覆盖层134与自由铁磁体层132的接触是可以用作隔离层的。例如，隔离层102和模板112都可以用具有组合厚度为5-10nm的Ta形成。同样，层134和104也都可以用具有组合厚度为5-10nm的Ta形成。在本发明的设备中，MTJ设备的组合厚度和隔离层102,104的厚度决定了间隔距离s。虽然随着屏蔽的间隔减小，本发明的设备消除了在电引线和屏蔽之间电短路的可能性，在屏蔽之间的直接地电短路的概率却将增加。就象图5所示那样，采用在远离MTJ设备的区域中增加屏蔽之间的间隔办法，可使上述情况缓和。在图5中，每一屏蔽S1、S2，在形成MTJ 100的区域中都有各自的支座161、163，使得在该区域中间隔s被制作的比形成MTJ 100设备的区域之外的屏蔽之间的间隔s′小。这样，较大的距离s′将减小在两个屏蔽S1和S2之间电短路的可能性。
本发明的MTJ MR读出磁头的其它优点是：现在也用作MTJ设备的电引线的屏蔽的电阻，由于屏蔽很厚，故很小。当MTJ设备的独立的电引线被放置在屏蔽和MTJ之间的时候，这些引线必须形成很薄的导电性层，而且要用另外的绝缘层把他们和屏蔽分隔开来。对于高密度记录应用，限制在MTJ设备的近旁的电引线的厚度的屏蔽间的间隔s必须保持很小。因此，在这些电引线间将可能有值得注意的电压降。由于这一电压降与所希望的信号串联，即电压降加在MTJ设备上，所以在除此之外的相同条件下输出信号减小。在本发明的MTJ设备中，加在现在用作电引线的屏蔽上的电压降是小的。
本发明的MTJ MR读出磁头的制造工艺
参照图6A-6B，说明形成本发明的MTJ MR读出磁头的工艺。将被说明的形成MTJ MR读出磁头的工艺与示于图6的工艺是类似的，在图6的工艺中在磁屏蔽之间的间隔在远离MTJ设备的区域中是比较大的。为了便于图示和说明，将不对示于图4A的纵向偏置区150的形成进行说明。
就象示于图6A的那样，工艺开始先淀积在屏蔽S1上边的隔离层102,MTJ设备100和顶部隔离层104。隔离层材料102可以是各种导电性材料，诸如Ta,Al,Cu,Au,W，和Pt等，典型厚度在10到20nm的范围内。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中选择。反铁磁体层116的典型厚度是在7到30nm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2到10nm而Co层的典型厚度是0.2到2nm。铝和隧道势垒氧化物层120的厚度一般是0.5到1.5nm的范围。自由铁磁体层132一般是一Ni-Fe合金或者Co和Ni-Fe合金的双层，对于Ni-Fe合金，厚度是10到20nm，对于Co，厚度是0.2到2nm。隔离层104用对隔离102所说明过的同样的材料和厚度形成。
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，用示于图6B的光刻胶230对这些层进行光刻以形成图形。接着，如图6C所示，进行离子刻蚀去掉未被光刻胶保护的材料。离子刻蚀步骤被设计为选择合适的条件，诸如离子刻蚀时间，使得不仅在没有光刻胶230的那些地方的层102,100和104被去掉，还从屏蔽S1的底部的顶部表面上去掉到深度d为止的材料。光刻胶层230一般是具有侧壁腐蚀的双层光刻胶。在图6C的离子刻蚀步骤之后，如图6D所示，采用用离子束或RF溅射法淀积一个一般是二氧化铝或SiO2的绝缘材料层250，其厚度至少大于d与隔离层102,MTJ设备100和隔离层104的厚度之和。在淀积绝缘层250之后，剥离光刻胶层230，去掉淀积在隔离层104上边的绝缘材料250。最后，如图6E所示，用离子束淀积或者RF或DC磁控管溅射法，形成顶部屏蔽层S2。
如图4A所示，通过在区域150中结合硬磁材料，也可以将上述加工过程用于提供轴向偏置或使自由铁磁体层132稳定化。
隔离层、自由和固定铁磁体层和反铁磁体层的总的厚度可在50-80nm的范围内。较低的屏蔽S1可以过刻蚀达厚度d～30nm，在图6D的步骤中淀积的绝缘层的厚度可以是～120nm。因此，应用在图6A-6E中所说明的制造顺序的本例将导致得到一个MTJ MR读出磁头，其分辨率间隙s为～50-80nm，但是屏蔽间间隔s′将离开MTJ传感器～120nm而不是50-80nm。由于在两个屏蔽之间具有中心定位于该间隙中(即，把层132定位在距离s/2处)的自由铁磁体层132是有益的，故这是用调整隔离层102和104厚度，S1的过刻蚀厚度和在图6D的步骤中淀积的绝缘层250的厚度的办法完成的。
在MTJ传感器的定义和制造方法之后还必须使固定铁样体层118的磁化方向(磁矩)调准到适当的方向上。如果Fe-Mn被用作用来和固定铁磁体层118进行交换耦合的反铁磁体层116，那么它淀积就成为反铁磁体。但是磁化必须重新进行调准，使得它可以在适当的方向上交换耦合固定铁磁体层118。该构造被放到一个退火烘箱中，温度被升高到高于Fe-Mn的成形(blocking)温度的约180℃。在这一温度下，Fe-Mn层不再用固定铁磁体层118发生一个交换各向异性。采用在磁场中冷却一对层116和118的办法，产生了铁磁体层118的交换各向异性。固定铁磁体层118的磁化方向将沿着外加磁场的方向。因此，就如在图4A中用箭头119所表示的那样，在退火烘箱中，外加磁场将使固定铁磁体层118的磁矩被固定为沿着需要的方向垂直于ABS。这是在存在有被外加磁场在需要的方向上磁化了的铁磁体层118的情况下冷却Fe-Mn层的结果。因此，在低于Fe-Mn的成形温度的温度下，在存在有来自已进行了记录的媒体的外加磁场的情况下，固定铁磁体层118的磁化实质上将不会旋转。
虽然在图5中所说明的本发明的实施例具有和MTJ设备100的面积相同的面积且与MTJ设备匹配的支座161、163，但这不是必不可少的需要。在一个替代性的实施例中，支座的面积可以作得比MTJ设备的面积更大，而且，MTJ设备也不必把中心定位于支座之内，尽管MTJ的边界必须处于支座的面积之内。与此类似，仅仅需要有一个位于MTJ设备的不论哪一侧的支座以便增加屏蔽S1、S2离开MTJ设备的间隔。这样的一个仅仅具有上部支座的替代实施例可以用图6A-6E中所说明的类似的制造工艺来形成。但是MTJ设备100和隔离层102、104不能象图6C中所示的那样过刻蚀，而是要仅仅刻蚀到屏蔽S1的表面为止。因此，不需要形成下部支座。除此之外的其余的工艺是一样的。仅仅形成下部的支座的一个实施例可用示于图6A-6E的一套类似制造步骤制造，去除了在步骤图6D之后，在除去了光刻胶230之后，所得到的设备表面要用化学机械抛光的办法平面化之外。接着，在平面化后的表面上边直接淀积屏蔽S2，且不形成上部支座。
虽然借助于参照实施例图示并详细说明了本发明，那些本专业的技术人员应当明白，在不偏离本发明的宗旨的范围内，在形式和细节上将会有很多变化。因此，所公开的发明将仅仅被看做是解说性的，而范围的限制仅仅在后附权利要求中规定。

Claims (26)

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，其特征是具有：
第1导电性磁屏蔽；
位于第1磁屏蔽上边的第1导电性隔离层；
位于第1隔离层上边的磁性隧道结，包括：
固定铁磁体层，其磁化方向被固定为沿着优化方向，使得在加上来自媒体的磁场的情况下基本上不旋转；
读出铁磁体层，其磁化方向一般被定向为：在不存在外加磁场时，垂直于固定铁磁体层的磁化方向，在存在来自媒体的外加磁场时，自由旋转；
绝缘隧道势垒层，位于固定和读出铁磁体层之间并和它们接触，用于允许在通常为垂直于固定和读出铁磁体层的方向上形成隧道电流；
第2导电性隔离层，其中磁性隧道被定位于第1和第2隔离层之间并和他们接触；
第2导电性磁屏蔽，位于第2隔离层上边，以提供一个从第1屏蔽到第1隔离层并通过磁性隧道结到第2隔离层和第2磁屏蔽的导电性路径。
2、权利要求1所述的磁头，其特征是：还具有一个用于对磁性隧道结提供防腐蚀保护的覆盖层，该覆盖层位于磁性隧道结和第2隔离层之间。
3、权利要求1所述的磁头，其特征是：第2隔离层是一层用于对磁性隧道结提供防腐蚀保护的覆盖层。
4、权利要求1所述的磁头，其特征是：还具有与固定铁磁体层接触的反铁磁体层，用于采用界面交换耦合的办法固定固定铁磁体层的磁化方向。
5、权利要求4所述的磁头，其特征是：第1隔离层直接形成于第1屏蔽上边，反铁磁体层位于第1隔离层和固定铁磁体层之间，固定铁磁体层直接形成于反铁磁体层上边并和反铁磁体层接触。
6、权利要求5所述的磁头，其特征是：还包括一个模板层，位于第1隔离层的上边，用于增强反铁磁体层的形成，而反铁磁体层直接形成在模板层上边并与模板层接触。
7、权利要求5所述的磁头，其特征是：第1隔离层是一层用于增强反铁磁体层的形成的模板层，而反铁磁体层直接形成在模板层上边并与模板层接触。
8、权利要求1所述的磁头，其特征是还具有：
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偏置到通常为垂直于固定铁磁体层的磁化方向的方向上；
电绝缘层，位于偏置和读出铁磁体层之间，用于使偏置层与读出层电绝缘；而且，其特征是：采用一绝缘层使隔离层与偏置层绝缘，以便当在第1和第2屏蔽之间有读出电流通过时，电流一般垂直穿过磁性隧道结，而不进入偏置层。
9、权利要求1所述的磁头，其特征是：读出磁头是一个集成化读/写磁头的一部分。
10、权利要求1所述的磁头，其特征是：还具有被连接到第1和第2屏蔽上去的读出电路。
11、权利要求1所述的磁头，其特征是：每一第1和第2屏蔽都具有一个支座区，第1隔离层形成在第1屏蔽的支座区上边，第2隔离层形成在第2隔离层的支座区上边，使得第1和第2屏蔽之间的间隔在支座区外边比在支座区内大。
12、权利要求11所述的磁头，其特征是：每一支座区的面积实质上与第1和第2隔离层的每一个的面积相同。
13、权利要求1所述的磁头，其特征是：第1和第2屏蔽用由下述一组材料中选出的材料形成，上述一组材料包括：NiFeX合金(其中X为Ta,Rh,Pt，或Nb),CoZrNb合金以及FeAlSi合金。
14、权利要求1所述的磁头，其特征是：磁头的类型是从磁性记录磁盘中读出数据，并且，还包括空气轴承滑动器，该滑动器具有在正用磁头从磁盘中读出数据时面朝磁盘表面的空气轴承表面ABS，而且尾端表面通常垂直于ABS，另外，该滑动器尾端表面是在其上边形成第1屏蔽的衬底。
15、一种用于在读出磁头已连接到读出电路上的时候，从磁性记录磁盘中读出数据的磁性隧道结磁阻读出磁头组合体，其特征是具有：
磁头支架，具有用来面朝磁盘的表面的读出表面和一般垂直于读出表面的尾端表面；
在磁头支架的尾端表面上边的导电性磁屏蔽，用于对读出电路提供连接用的电引线；
在第1屏蔽上边的第1导电性隔离层；
在第1隔离层上边的磁性隧道结，由下述部分组成：
一个固定铁磁体层，位于第1隔离层上边且使一方向被固定为沿着一个理想的方向，使得在存在有来自磁盘的外加磁场的情况下实质上不旋转；
一个绝缘隧道势垒层，位于固定铁磁体层的上边并和该固定铁磁体层接触；
一个读出铁磁体层，位于隧道势垒层上边并和隧道势垒层接触，且在不存在外加磁场的情况下，使其磁化方向定位为一般垂直于固定铁磁体层的磁化方向，而在存在着来自磁盘的外加磁场的情况下，则自由旋转。
位于读出铁磁体层上边的第2导电性隔离层；
第2导电性磁屏蔽，位于第2隔离层上边，用于提供一个从第1屏蔽到第1隔离层并通过磁性隧道结到第2隔离层和第2磁屏蔽的导电性路径，从而提供一条从第1磁屏蔽到第1隔离层并穿过磁隧道结到达第2隔离层和第2屏蔽的导电性路径，该路径具有一个路径，用于形成一般垂直地穿过隧道势垒层的隧道电流。
16、权利要求15所述的磁头组合体，其特征是：还具有一个覆盖层，用于对磁性隧道结提供防腐蚀保护，该覆盖层位于读出铁磁体层和第2隔离层之间。
17、权利要求15所述的磁头组合体，其特征是：第2隔离层是一个用于对磁性隧道结提供防腐蚀保护的覆盖层。
18、权利要求15所述的磁头组合体，其特征是：还具有一个反铁磁体层，与固定铁磁体层接触，用于采用界面交换耦合的办法固定固定铁磁体层的磁化方向，该反铁磁体层位于第1隔离层和固定铁磁体层之间。
19、权利要求18所述的磁头组合体，其特征是：还具有一个模板层，位于第1隔离层上边，用于增强反铁磁体层的形成，反铁磁体层直接定位于模板层上边并与模板层接触。
20、权利要求18所述的磁头组合体，其特征是：第1隔离层是一个用于增强反铁磁体层的形成的模板，反铁磁体层直接定位于模板层上边并与模板层接触。
21、权利要求15所述的磁头组合体，其特征是还具有：
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偏置到通常为垂直于固定铁磁体层的磁化方向的方向上；
电绝缘层，位于偏置和读出铁磁体层之间，用于使偏置层与读出层电绝缘；而且，其特征是：采用一绝缘层使隔离层与偏置层绝缘，以便当在第1和第2屏蔽之间有读出电流通过时，电流一般垂直穿过磁性隧道结，而不进入偏置层。
22、权利要求15所述的磁头组合体，其特征是还具有连接到第2屏蔽上的读出电路。
23、权利要求15所述的磁头组合体，其特征是：每一第1和第2屏蔽都具有一个支座区，第1隔离层形成在第1屏蔽的支座区上边，第2隔离层形成在第2隔离层的支座区上边，使得第1和第2屏蔽之间的间隔在支座区外边比在支座区内大。
24、权利要求23所述的磁头组合体，其特征是：每一支座区的面积实质上与第1和第2隔离层的每一个的面积相同。
25、权利要求1所述的磁头组合体，其特征是：第1和第2屏蔽用由下述一组材料中选出的材料形成，上述一组材料包括：NiFeX合金(其中X为Ta,Rh,Pt，或Nb),CoZrNb合金以及FeAlSi合金。
26、权利要求15所述的磁头组合体，其特征是：磁头支架是一空气轴承滑动器，读出表面是滑动器的空气轴承表面。
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