CN1288558A

CN1288558A - 磁性传感器、磁头、磁性编码器和硬盘装置

Info

Publication number: CN1288558A
Application number: CN99802174A
Authority: CN
Inventors: 佐藤雅重; 菊地英幸; 小林和雄
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-03-21
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: US7199985B1; CN1160707C; KR20010032759A; WO2000022612A1; DE19982238T1; KR100631355B1; CN1523574A; CN1259650C

Abstract

一种具有铁磁性隧道结的磁性传感器,包括磁化方向自由旋转的自由层(10),在自由层上形成的、第一区域厚度较薄的势垒层(11),与第一区域对应的区域的自由层起检测外磁场的传感部(13)作用。由此,可以提供具有良好灵敏度的磁性传感器、磁头和磁性编码器。而且,可以提供适应磁记录载体的高记录密度化的磁头以及采用这种磁头的大记录容量的硬盘装置。

Description

磁性传感器、磁头、磁性编码器和硬盘装置

[发明领域]

本发明涉及磁性传感器、磁头、磁性编码器和硬盘驱动器，更具体地，涉及利用铁磁性隧道结的磁性传感器、磁头、磁性编码器和硬盘驱动器。

[背景技术]

电子元件中常常利用隧道现象。这种隧道现象一般是指其动能小于势垒的粒子例如电子等通过势垒而移动的现象。经典力学无法解释这种现象，但是量子力学可以说明这种特殊的现象。粒子的波函数一边在势垒内侧衰减，一边进入到势垒外侧，外侧的波函数振幅不是为零，而是以行波行进，因此粒子能通过势垒。

作为隧道现象的例子，已知有因α衰变而从原子核发射出α粒子的现象，在金属上施加高电压从金属表面发射出电子的现象(电场发射)，在半导体的pn结施加高的反向偏压时电子渗透进耗尽层的现象等。这是实用上非常重要的量子力学的效果。

作为电子元件中利用隧道现象的典型现象，有“金属/绝缘体/金属”结，如果在两侧的金属施加电压，则存在绝缘体非常薄时有弱电流流过的现象。通常绝缘体是不能通过电流的，但是当绝缘体的厚度在数埃()～数十时，最好薄到数～十数的程度时，由于量子力学的效果，就会由于电子具有通过绝缘体的很低几率而发生这种现象。此时的电流称为“隧道电流”，具有这种结构的结称为“隧道结”。

为了实现可以获得隧道结的极薄绝缘层，通常利用金属层的氧化膜作为绝缘势垒。例如，通过铝表面的自然氧化、等离子体氧化、热氧化等适当的氧化处理，形成氧化膜。氧化膜的膜厚是根据采用的氧化处理来调节氧化条件，形成数埃()～数十程度的期望膜厚的氧化膜。这样形成的氧化铝由于是极薄的绝缘体，所以具有隧道结的势垒层的作用。

如果在上述“金属/氧化膜/金属”的隧道结两侧的金属间施加电压，则与所加电压对应的电流呈现非线性特征，与通常的电阻体呈现的线性不同。因此，具有这种隧道结的电子元件，作为非线性元件来利用。

而且，在这种“金属/氧化膜/金属”的结构中，用铁磁性金属置换氧化膜两侧的金属构成的“铁磁性金属/氧化膜/铁磁性金属”，称为“铁磁性隧道结”。对于铁磁性隧道结，已知隧道几率(隧道电阻)依赖于两侧的磁性层的磁化状态。换言之，通过磁场改变两侧磁性层的磁化状态，可以控制隧道电阻。两侧磁性层的磁化方向的相对角度为θ时，隧道电阻R用下式表示。

R＝Rs+0.5ΔR(1-cosθ)…………(1)

这里，Rs代表施加饱和磁场时的隧道电阻，这时两侧的的2个磁化方向指向磁场施加方向。而且，ΔR表示隧道电阻的改变部分。

式(1)意味着在饱和磁场中，2个磁性层的磁化同向时，磁化方向的相对角度θ＝0°(cosθ＝1)，隧道电阻R＝Rs。与此相反，在饱和磁场中，2个磁性层的磁化反向时，磁化方向的相对角度θ＝180°(cosθ＝-1)，隧道电阻R＝Rs+ΔR。没有磁场时，如下所述，在2个磁性层内，一个磁性层作为固定侧磁性层，其磁化方向是固定的，另一个磁性层作为自由磁性层，其磁场方向垂直于固定侧磁性层的磁化方向，成为弱磁区控制。此时，2个磁性层的磁化方向的相对角度θ＝90°(cosθ＝0)，隧道电阻R＝Rs+0.5ΔR。

即，两磁性层的磁化方向一致时(θ＝0°)，隧道电阻为最小值R＝Rs，两磁性层的磁化方向相反时(θ＝180°)，隧道电阻为最大值R0＝Rs+ΔR。因此，无磁场时两磁性层的磁化方向如果设定为夹角θ＝90°，则电阻值以θ＝90°的情况为中心而线性地变化，由此得到线性输出。

这种现象的起因在于铁磁性体内部的电子的极化。通常，物质中的电子存在自旋状态向上的电子(向上电子)和自旋状态向下的电子(向下电子)。非磁性金属内部由于存在数量相同的向上电子和向下电子，所以非磁性金属整体不显示磁性。但是，磁性金属内部由于向上电子数(N_上)和向下电子数(N_下)不相同，所以磁性金属整体显示出电子数多的一方的磁性(即，向上磁性或向下磁性)。

电子从两侧磁性层的任意一方通过薄氧化膜隧道到另一方的磁性层时，已知这些电子仍旧保持各自的自旋状态进行隧穿。因此，隧穿前端的磁性层的电子状态如果出现空位，则可能存在隧道，但是隧穿前端的磁性层的电子状态如果不出现空位，则不能产生隧道。

隧道电阻的变化率(ΔR/Rs)，如下式所示，用作为电子源的磁性层(隧道源)的极化率(称为磁场失真率)和隧穿前端的极化率的乘积表示。

ΔR/Rs＝2×P1×P2/(1-P1×P2)………(2)

这里，P1：一个磁性层的极化率

P2：另一个磁性层的极化率

而且，磁性层的极化率P如下式表示

P＝2·(N_上-N_下)/(N_上-N_下)………(3)

这里，N_上：磁性金属内部的向上电子数

N_下：磁性层内部的向下电子数

磁性层的极化率P取决于铁磁性层金属的种类，但是根据种类也具有接近50％的值，这种情况下，隧道电阻的变化率(ΔR/Rs)可望达到百分之几十。

作为现在公知的磁致电阻效应(MR)，各向异性磁致电阻效应(AMR)的电阻变化率是0.6％的程度，而巨磁致电阻效应(GMR)的电阻变化率是百分之几到百分之十几。因此，与这些AMR或GMR相比隧道电阻的变化率特别大，可以期待应用于磁头、磁性传感器等。

作为磁头，作为利用GMR的典型例子的自旋阀结构是公知的。本申请人已经提出过在这种自旋阀结构中应用上述铁磁性隧道结的TMR(tunnel-MR)磁头。

这种自旋阀结构采用在两层磁性层之间夹入磁性金属层，为了仅固定一个磁性层的磁化方向，在该磁性层上覆盖反铁磁性层的结构。而且，作为铁磁性结，采用如上所述的在两层铁磁性层之间夹入薄氧化膜的结构。

图1A是说明铁磁性隧道结构的剖面图。具有铁磁性隧道结的自旋阀结构一般如图1A所示，包括在硅基片1上形成的下部电极2、在下部电极上形成的自由磁性层3、在自由磁性层上形成的第一磁性金属层4、在第一磁性金属层上形成的绝缘层5、在绝缘层上形成的第二磁性金属层6、在第二磁性金属层上形成的固定侧磁性层7、在固定侧磁性层上形成的反铁磁性层8、在反铁磁性层8上形成的上部电极9。

由下部电极2、自由磁性层3和第一磁性金属层4组成下部层10，由第二磁性金属层6、固定侧磁性层7、反铁磁性层8和上部电极9组成上部层12。由绝缘层5构成的势垒层11配置在下部层10和上部层12之间将两者隔开。

这种自旋阀结构的各个要素例如以下所述。基片1由硅制成。下部电极2和上部电极9分别由Ta膜制成，膜厚50nm。自由磁性层3和固定侧磁性层7分别由NiFe膜制成，膜厚17nm。第一和第二磁性金属层4、6分别由Co膜制成，膜厚3.3nm。绝缘层5由Al-Al₂O₃膜制成，膜厚1.3nm。反铁磁性层8由FeMn膜制成，膜厚45nm。

最初的NiFe膜是两个铁磁性层中的一个，由于磁化方向不固定所以称为自由磁性层(自由层)3。两个Co膜4、6夹持的Al-AlO膜可提供形成铁磁性隧道结的薄氧化铝膜AlO膜所构成的势垒层11。两个NiFe膜中另一个的磁化方向固定，所以称为固定侧磁性层(被钉扎层)7。第一磁性金属层4的功能与自由磁性层3相同，第二磁性金属层6与固定侧磁性层7的功能相同。FeMn膜用于与固定侧磁性层7交换耦合、使固定侧磁性层的磁化方向固定，所以称为反铁磁性层(钉扎层)8。

这样的“自由磁性层/绝缘层/固定侧磁性层/反铁磁性层”的结构，如果从外部施加磁场(例如来自记录载体的信号磁场)，则只有自由磁性层3和第一磁性金属层4发生磁化旋转。结果，主要是第一磁性金属层4的磁化方向和第二磁性金属层6的磁化方向的夹角θ变化，表现出铁磁性隧道结的电阻变化。即，这种TMR(tunnelMR)的隧道电阻的变化依赖于磁场，如式(1)所示。

图1B是说明利用图1A所示铁磁性隧道结构的磁性传感器的电阻变化的测量的模式图。在上部层12和下部层10之间接入电流源39，流入一定的电流。同样，在上部层12和下部层10之间接入电压检测器40，测量两层间的电压变化。如果施加外磁场(例如信号磁场)，图1A所示铁磁性隧道结构的隧道电阻发生变化，通过电压检测器40检测电压的变化。

图2是利用这种自旋阀结构的隧道结构的磁致电阻效应曲线图。由图2可见，随着外磁场按-50奥斯特(Oe)→-10(Oe)→0(Oe)→+10(Oe)→+50(Oe)变化，呈现约0.0％→约0.0％→约10.0％→约20.0％→约20.0％的可逆电阻变化率。具有图2的自旋阀结构的隧道结构，在外磁场为-10～+10(Oe)范围内，可见约0～20％的接近直线的电阻变化率。而且，在-30～+30(Oe)的范围内，可见约0％～20％的电阻变化率。通过将其变换处理为逻辑“0”、“1”的数据，也可以应用于数字逻辑电路。

但是，具有自旋阀结构的隧道结构应用于磁头、磁性编码器等的磁性传感器中时，由于元件高度h极小，元件边缘附近的磁化旋转困难。即，由于磁性传感器元件高度低，边缘部分的影响大，磁化旋转困难，结果存在磁性传感器灵敏度下降的问题。

实际使用的元件尺寸在数μm×数μm的数量级，元件高度h减小时，从固定侧磁性层到自由磁性层的静磁性结合相对较强，自由磁性层的磁化方向容易与固定侧磁性层的磁化方向成反平行状态，磁化方向难以旋转到易磁化方向。结果，磁致电阻效应元件的灵敏度降低。

另一方面，硬盘装置的数据读写速度快、存储容量大，因此广泛应用于电子设备。

近来，硬盘装置存储容量惊人地增加，但是随着信息化社会的发展，对存储容量的增加有进一步的要求。

为了实现硬盘装置存储容量的增加，提高磁记录载体即磁盘的记录密度是不可欠缺的课题。

由于磁记录载体的记录密度的增加，磁记录载体的记录位的尺寸变小，所以与此对应，磁头也必须细微化，而且必须提高检测灵敏度。

近来，作为检测灵敏度高的磁头，提出了GMR(巨磁致电阻效应)磁头。

如果在具有磁性层/非磁性层/磁性层结构的层叠膜上施加外磁场，则由于两层磁性层的磁化角度的差而使层叠膜的电阻变化，GMR磁头就是利用这种现象、即GMR现象的磁头。

通过图3说明GMR效应。图3是表示GMR效应的概念图。

如图3所示，呈现GMR效应的层叠膜310由磁性层314和磁性层318之间夹持非磁性层316构造而成。θ₁表示磁性层314的磁化角度，θ₂表示磁性层318的磁化角度。磁性层314按磁化矢量M1磁化，磁性层318按磁化矢量M2磁化。

如图3所示的层叠膜310如果施加外磁场，磁性层314的磁化角度成为例如θ₁，磁性层318的磁化角度成为例如θ₂。

磁化角度θ₁和磁化角度θ₂的差如果是θ，则θ为

θ＝θ₂-θ₁

若处于不施加外磁场的状态的层叠膜310的电阻是Rs，则施加外磁场时的电阻R表示为

R＝Rs+0.5×ΔR(1-cosΔθ)

其中ΔR是因层叠膜310的材料不同而不同的常数。

而且，把ΔR/Rs×100(％)定义的值称为MR比，在磁性层314例如为Co层、非磁性层316例如为Cu层、磁性层318例如为Co层的情况，MR比是5-10％的程度。

采用呈现这样的MR效应的层叠膜的磁头的情形，一般采用称为自旋阀的结构。自旋阀结构公开于特开平4-358310号公报。

利用图4说明自旋阀结构。图4是展示自旋阀结构的层叠膜的剖面图。

如图4所示，自旋阀结构的层叠膜410由磁性层414、非磁性层416、磁性层418和反铁磁性层420构成。

仅有磁性层414、非磁性层416和磁性层418这三层结构的层叠膜，在外磁场的作用下，磁性层414的磁化方向和磁性层418的磁化方向最终基本一致，磁性层414的磁化角度和磁性层418的磁化角度的差极小。

对于自旋阀结构的层叠膜410，磁性层418上形成了反铁磁性层420。在反铁磁性层420的作用下，与反铁磁性层接合的磁性层418的磁化方向被固定。因此，根据外磁场，仅有磁性层414的磁化方向自由地旋转。磁性层418由于磁化方向被固定而称为固定层，磁性层414由于磁化方向可以自由地旋转而称为自由层。

由于磁性层418的磁化方向固定在一定方向，磁性层414的磁化方向在外磁场的作用下自由地旋转，所以层叠膜410的电阻R根据外磁场而变化。

以下通过图5说明采用自旋阀结构的磁头的工作原理。图5是展示采用自旋阀结构的磁头的工作原理的透视图。

如图5所示，由自由层414、非磁性层416、固定层418和反铁磁性层420构成自旋阀结构的层叠膜410用做磁芯400，在磁芯400两侧形成端子402。

根据来自磁记录载体的记录位332的磁场404，自由层414的磁化角度θ₁自由地变化，但固定层418的磁化角度θ₂仍旧固定。由此，作为自由层414的磁化角度θ₁和固定层的磁化角度θ₂之差的θ可以增大，因此接近记录位332时的磁芯400的电阻R的变化可以增大。

但是，如果进一步提高磁记录载体的记录密度，磁道宽度d₁应随之变窄，磁头宽度d₂也必须与磁道宽度d₁对应地变窄。这时如果单纯使磁芯宽度d₂变窄，则磁芯400的电阻最终变小，检测灵敏度最终降低。因此，在使磁芯宽度变窄的情况，必须降低磁芯400的高度h。

但是，如果减小磁芯400的高度，如图6所示的磁芯400的信号检测面430侧和磁芯400上部，由于因反向磁场的影响而磁化方向难以发生变化，磁芯400的电阻变化最终变小。图6是磁芯高度例如是5μm的情况，自由层414的磁化方向如箭头所示。椭圆包围的区域是自由层414的磁化角度θ₁为一定角度以上的区域。如图6所示，虽然自由层414的磁化角度θ₁为一定角度以上的区域较小，但是磁化角度θ₁也小。

这样，提出的自旋阀结构的磁头，由于如果小型化则检测灵敏度变得极低，所以磁记录载体难以进一步高密度化。

因此，针对上述问题，本发明的目的在于提供新型的磁性传感器、磁头和编码器。

本发明的又一目的在于提供具有隧道结、充分保证自由磁性层的磁化的旋转、具有良好灵敏度的磁性传感器、磁头和编码器。

本发明的再一目的在于提供对应于磁记录载体高密度化的磁头以及采用该磁头的大存储容量的硬盘装置。

[发明的公开]

上述目的是通过具有铁磁性隧道结的磁性传感器实现的，其特征在于，包括磁化方向可自由旋转的自由层，在所述自由层上形成的、第一区域厚度较薄的势垒层，与所述第一区域对应的区域的自由层起检测外磁场的作用。这样，由于可以充分确保与所述第一区域对应的区域的自由层的磁化的旋转，所以可以提供具有良好灵敏度的磁性传感器。

而且，上述磁性传感器中，所述势垒层也可以是通过氧化金属表面形成的。而且，上述磁性传感器中，也可以还有在所述势垒层上形成的固定层，在所述固定层上形成的、固定所述固定层的磁化方向的反铁磁性层。

而且，上述磁性传感器中，处于上方不形成所述固定层的区域中的所述自由层，可以以远离所述固定层的方式弯曲。

而且，通过其特征在于具有上述磁性传感器的磁头而实现上述目的。由此，可以提供具有良好灵敏度的磁头。

而且，通过其特征在于具有上述磁性传感器的磁性编码器而实现上述目的。由此，可以提供具有良好灵敏度的磁性编码器。

而且，通过其特征如下的磁头而实现上述目的，包括磁化方向自由地旋转的自由层，通过势垒层与所述自由层的一面对置、具有通过与反铁磁性层邻接使磁化方向固定的固定层的铁磁性隧道结元件，所述自由层与具有高导磁率的部件连接。由此，可以提供适应磁记录载体的高记录密度化的磁头。

而且，上述磁头中，所述自由层也可以在离开信号检测面的区域与所述具有高导磁率的部件连接。而且，上述磁头中，所述自由层也可以一边平缓地接近、一边与所述具有高导磁率的部件连接。而且，在上述磁头中，所述具有高导磁率的部件也可以是离开所述铁磁性隧道结元件形成的屏蔽层。在上述磁头中，所述固定层边缘部位附近的所述势垒层的厚度，可以比所述固定层中央部位附近的所述势垒层的厚度更厚。在上述磁头中，所述自由层可以在离开信号检测面的区域中形成较宽的宽度。在上述磁头中，所述固定层可以不露出所述信号检测面。在上述磁头中，所述具有高导磁率的部件可以接地。在上述磁头中，不与所述固定层对置的区域中的所述自由层，可以远离所述固定层那样地弯曲。在上述磁头中，所述铁磁性隧道结元件可以通过在所述自由层另一面侧形成的另一势垒层与所述自由层对置，具有通过邻接的另一反铁磁性层使磁化方向固定的另一固定层。

而且，通过其特征在于具有上述磁头的硬盘装置而实现上述目的。由此，可以提供记录容量大的硬盘装置。

而且，通过其特征在于具有多个上述硬盘装置的硬盘阵列装置而实现上述目的。由此，可以提供记录容量大的硬盘阵列装置。

[附图的简单说明]

图1是说明铁磁性隧道结构的图。其中，图1A展示了具有铁磁性隧道结构的层构成，图1B是说明测试图1A的铁磁性隧道结构的变化的模式图。

图2是图1的隧道结的磁场-电阻特性的曲线图。

图3是展示GMR效应的概念图。

图4是展示自旋阀结构的层叠膜的剖面图。

图5是采用自旋阀结构的磁头工作原理的透视图。

图6是展示接近记录位时自由层的磁化方向的模式图。

图7是说明在自旋阀结构中组装了隧道结的自旋阀元件的构成的图。其中，图7A展示了本实施例的自旋阀元件，图7B展示了作为比较例的在先申请的自旋阀元件。

图8是本发明第一实施方式的磁性传感器的构成示意图。

图9是图8的磁性传感器的第一制造方法的说明图(之一)。

图10是图8的磁性传感器的第一制造方法的说明图(之二)。

图11是图8的磁性传感器的第二制造方法的说明图(之一)。

图12是图8的磁性传感器的第二制造方法的说明图(之二)。

图13A是磁性传感器的示意图，图13B是磁性传感器的等效电路的示意图，图13C是说明制造磁性传感器时使用的掩模的图。

图14A是磁性传感器输出特性的示意图，图14B是说明磁性传感器的工作原理的图。

图15A是说明磁性传感器工作原理时使用的等效电路，图15B是磁性传感器输出特性的示意图。

图16A是实际的磁性编码器的示意图，图16B是磁性编码器的磁性传感器的放大图。

图17是本发明第二实施方式的磁头的剖面图。

图18是展示接近记录位时自由层的磁化方向的模式图。

图19是本发明第二实施方式的磁头的其它实例(之一)的剖面图。

图20是本发明第二实施方式的磁头的其它实例(之二)的剖面图。

图21是本发明第二实施方式的磁头的其它实例(之三)的剖面图。

图22是本发明第三实施方式的磁头的剖面图。

图23是本发明第四实施方式的磁头的剖面图。

图24是本发明第五实施方式的磁头的剖面图。

图25是本发明第五实施方式的磁头的其他实例平面图。

[实施发明的最好方式]

(第一实施方式)

以下将参考附图说明本发明第一实施方式的磁性传感器及其制造方法的实施方式。图中相同要素采用同样的符号，并省略重复的说明。

(磁性传感器)

作为磁性传感器的典型例，说明具有自旋阀结构的磁性传感器。图7A是采用具有本实施方式的自旋阀结构的隧道结的磁性传感器结构示意图。图7B中，展示了作为比较例的在先申请的具有自旋阀结构的磁性传感器的结构。

如图7A所示，根据本实施方式的磁性传感器，具有自旋阀结构的隧道结配置在下部磁极2和上部磁极9之间。这种自旋阀结构具有将势垒层11配置在下部层10和上部层12之间的层结构。

正如后面参考图8将详细说明的，这种自旋阀结构概括来讲，下部层10至少包括自由磁性层和第一磁性金属层，而且，上部层12至少包括第二磁性金属层、固定侧磁性层和反磁性层，在这两个磁性金属层的中间部位配置薄绝缘层作为势垒层11。如图8所示，在自旋阀结构的中央附近形成传感部13。

作为外磁场的来自磁盘这样的记录载体的信号磁场Hsig，从图中可见的下方施加，使自由磁性层的磁化旋转。

根据本实施方式的磁性传感器的特征之一，如图7A所示，朝向信号磁场的传感部13限定在具有自旋阀结构的隧道结的基本中央部位的一部分区域(磁性层的一部分区域L×hs)。

如下所述，这种传感部13的区域的尺寸与结合图7B说明的磁性传感器的磁性层的区域的尺寸(h×L)基本相等。因此，本实施方式的磁性传感器，由于磁性层有一部分是传感部13，所以与图7B的已有磁头的磁性层相比，磁性层的尺寸相对较大。

与此相反，图7B所示的在先申请的具有自旋阀结构的磁性传感器，自旋阀结构配置在下部磁极20和上部磁极90之间。这种已有的自旋阀结构的层结构与图7A所示的自旋阀结构相同，具有势垒层110配置在下部层100和上部层120之间的层结构。下部层100和上部层120具有与图7A说明的相同的层结构。

同样，作为外磁场的来自磁盘这样的记录载体的信号磁场Hsig，从图中可见的下方施加，使自由磁性层的磁化旋转。具有已有的自旋阀结构的磁性传感器，朝向信号磁场Hsig的传感部130是被两个绝缘层150-1、150-2夹持的部分(磁性层全体，即h×L)。

如果比较图7A的本实施方式的磁性传感器和图7B的在先申请的磁性传感器，两者的传感部13、130的尺寸基本相同，但是前者(本实施方式)的传感部13是限定在磁性层的一部分区域，与此相反后者(比较例)的传感部130却是磁性层全体。

通过采用图7A所示结构，可以在磁性层范围内的任意处设定传感部13，制成本实施方式的磁性传感器13。这里，传感部13最好设定在自由磁性层(下部层10的一层)的磁化最容易旋转的磁性层的大致中央附近。或者，传感部13形成在所述磁性层的尽可能接近测定信号磁场的位置。或者，传感部13形成在磁性层的磁化方向可容易旋转的位置。

本实施方式的磁性传感器，由于使传感部13是磁性层的大致中央的部分，传感部13的各个磁畴的磁化的旋转可以不受磁性层元件高度h方向的尺寸的影响而自由地旋转。即，由于传感部13的高度hs是磁性层高度h的一部分，从而即使在传感部13的边缘附近，磁畴也能与外部信号磁场Hsig对应地自由旋转。而且，由于不管传感部尺寸如何磁性层可以较大，所以可减少因元件形状产生的退磁场等的影响。

相反地，在先申请的磁性传感器(参见图7B)，由于自由磁性层的全部区域作为传感部130，受到磁性层高度方向尺寸h(＝hs)的影响，传感部130各个磁畴的磁化难以旋转。

图8是图7A所示本实施方式的磁性传感器的详细剖面图。此磁性传感器的层结构包括，基片1、在该基片上形成的下部层10、在该下部层上形成的势垒层11、在该势垒层上形成的上部层12。

下部层10具有下部电极2、自由磁性层(下部层，自由层)3、在自由磁性层上形成的第一磁性金属层4。势垒层11具有绝缘层5。上部层12具有，在该绝缘层上形成的第二磁性金属层6、在该第二磁性金属层上形成的固定侧磁性层7、在该固定侧磁性层上形成的反铁磁性层8、在该反铁磁性层上形成的上部电极9。

绝缘层5在中央部位具有与其他部分相比膜厚相对较薄的区域。为此，在绝缘层5上方形成的第二磁性金属层6的表面是平坦的，但与绝缘层5的膜厚较薄的中央部位相应的第二磁性金属层6的中央部位，与其他部分相比厚度向下增加，形成向下的凸出。绝缘层5形成的凹进为数埃的程度。与此中央部位的凹进(凹进区域)16对应的区域中形成传感部13，在图7A中对其已作了说明。

以下说明磁性传感器的各个要素。

基片1最好由形成了自然氧化膜的Si基片制成。

下部电极2最好由膜厚约50nm的Ta膜制成。

自由磁性层3最好由膜厚约17nm的NiFe膜制成。

第一磁性金属层4最好由膜厚约3.3nm的Co膜制成。

绝缘层5由膜厚数埃～数十埃的氧化铝膜制成，在本实施方式中，由凹进部分16的膜厚约1.3nm、其他部分的膜厚约3.3nm的氧化铝膜制成。

第二磁性金属层6最好与第一磁性金属层4同样是由膜厚约3.3nm的Co膜制成。由于Co膜的极化率比邻接的NiFe膜(自由磁性层3或固定侧磁性层7)的极化率更高，所以通过在自由磁性层3或固定侧磁性层7上重叠Co膜，设计成可以实现更高MR比的第一和第二磁性金属层4、6。

固定侧磁性层7最好与自由磁性层3同样由膜厚约17nm的NiFe膜制成。

反铁磁性层8最好由膜厚约50nm的FeMn膜制成。

上部电极9与下部电极2同样最好由膜厚约50nm的Ta膜制成。

这种磁性传感器是在自旋阀结构中应用铁磁性隧道结的TMR(隧道MR)。作为自旋阀结构，在两个磁性层(即自由磁性层3和固定侧磁性层7)之间配置作为磁性金属层的Co层4、6，为了仅使固定侧磁性层7和第二磁性金属层6的磁化方向被固定，所以采用在磁性层上覆盖反铁磁性层的结构。而且，铁磁性隧道结采用在两个铁磁性层3、7之间(更具体地讲是在第一和第二磁性金属层4、6之间)配置作为势垒层的薄氧化膜5的结构。

以下说明磁性传感器的作用。绝缘层5的传感部13的膜厚比其他绝缘层部分更薄。绝缘层5的膜厚方向的隧道电阻R如下式所示，更多地依赖于绝缘层的膜厚。

R∝t·exp[t]…………(4)

其中，t：绝缘层的膜厚。

因此，如果下部电极2和上部电极9之间流过直流电流，则隧道电流18集中地流过绝缘层5的膜厚薄的区域。即，直流电流从上部电极9流到下部电极2，实质上是流过从对应于绝缘层5膜厚薄的区域16的反铁磁性层8到自由磁性层3的各层的区域。结果，仅有对应于这种膜厚薄的凹进区域16的区域实质上起到传感部13的功能。

如上所述，对于铁磁性隧道结，两侧磁性层的磁化方向的相对角度为θ时，隧道电阻R由式(1)表示。即，对应于外部信号磁场Hsig，自由磁性层3和磁性金属层4的磁化方向旋转，两侧的磁性金属层4、6的磁化方向的相对角度(所决定的隧道电阻R发生变化。如参考图1B说明的，下部电极2和上部电极9之间如果流过一定的直流电流，则可作为电压值检测出这种隧道电阻R。结果，磁性传感器检测出外部信号磁场Hsig。

如图8和7A所示，传感部13形成在磁性层的一部分区域。传感部13最好形成磁性层中央部位附近，其尺寸形成得与在先申请的磁性传感器的磁性层区域(即图7B的传感部130)相同。为此，在磁性层区域内的最佳位置形成传感部13。或者，传感部13形成在磁性层中央部位附近。因此，自由磁性层3不受磁性层端部的影响，各个磁畴的磁化易于旋转。

(磁性传感器的制造方法)

采用图9-图12说明图7A和图8所述的磁性传感器的制造方法。这里，与薄的绝缘层区域的形成方法不同，根据图9A-图10C说明第一制造方法，根据图11A-图12C说明第二制造方法。

(第一制造方法)

图9A至图10C是连续说明的第一制造方法的图。

如图9A所示，制备被覆了自然氧化膜的Si基片1。在此基片1上，采用溅射法形成膜厚约50nm的Ta膜。这种Ta膜在元件制成之后起到下部电极2的作用。一边在下部电极2上施加约300(Oe)的磁场，一边形成膜厚约17nm的NiFe膜，再形成膜厚约3.3nm的Co膜。制成元件后，由NiFe膜制成的自由磁性层(下部层，自由层)3和由Co膜制成的第一磁性金属层4起自由层的作用。

如图9B所示，在传感部13上涂敷抗蚀剂19，之后在此抗蚀剂19和第一磁性金属层4上，形成起绝缘层5作用的膜厚约2.0nm的Al膜5-0。

如图9C所示，采用等离子体氧化法，氧化Al膜表面，成为第一氧化铝5-1(即，Al-Al₂O₃膜)。然后，除去抗蚀剂19。制成元件后，氧化铝膜用做起隧道势垒作用的薄绝缘层5。

如图9D所示，再形成膜厚约1.3nm的Al膜。同样，采用等离子体氧化法氧化Al膜表面，成为第二氧化铝膜5-2。结果，由第一氧化铝膜5-1和第二氧化铝膜5-2形成的绝缘层5所形成的绝缘层，在传感部13的膜厚约为1.3nm，除此之外的部分的膜厚约为3.3nm。此绝缘层5的部分较薄的区域(传感部)在制成元件后起隧道势垒的作用。

如图10A所示，在薄绝缘膜5上形成膜厚3.3nm的Co膜。

然后，在Co膜上形成膜厚约17nm的NiFe膜。再形成膜厚约50nm的FeMn膜。制成元件后，由Co膜构成的第二磁性金属层6和由NiFe膜构成的固定侧磁性层7，用做钉扎层(固定层)，并且FeMn膜用做反铁磁性层8。

如图10B所示，采用离子铣法、RIE(反应离子蚀刻)法等去除元件之外的部分，在这些去除的部分形成绝缘层15-1、15-2。之后，在绝缘层15-1、15-2和反铁磁性层8上，形成膜厚约50nm的Ta膜。此Ta膜在制成元件后起上部电极9的作用。绝缘层15-1、15-2设计成防止与上部电极9和下部电极2直接或者通过元件部位的边缘面接触。

如图10C所示，如此制造的磁性传感器，当从上部电极9向下部电极2流动传感电流(一定的直流电流)17时，流过氧化铝制成的绝缘膜5的隧道电流集中地流过膜厚相对较薄的部分，该部分起到作为传感部13的作用。由于氧化铝膜薄的部分可以形成在任意位置，传感部13可以设置在磁性层内的任意位置，最好设置在自由磁性层3的磁畴容易最先旋转的中央附近，确保此磁畴的圆滑旋转。

(第二制造方法)

图11A-12C是连续地说明磁性传感器的第二制造方法的图。与第一制造方法相比，第二制造方法的不同点在于形成薄绝缘膜的工序有所不同。

如图11A所示，制备被覆了自然氧化膜的Si基片1。在此基片上采用溅射法形成膜厚约50nm的Ta膜。此Ta膜在制成元件后用做下部电极2。在此下部电极上一边施加约300(Oe)的磁场，一边进行膜厚约17nm的NiFe膜的成膜，再进行膜厚约3.3nmCo膜的成膜。制成元件后，由NiFe膜制成的自由磁性层3和由Co膜制成的第一磁性金属层4起自由层的作用。直到此阶段与第一制造方法相同。

如图11B所示，在传感部13上涂敷抗蚀剂21，之后在此抗蚀剂和第一磁性金属层4上，形成膜厚约2.0nm的第一Al₂O₃膜5-1。

如图11C所示，去除抗蚀剂21后，形成膜厚约1.3nm的Al膜，采用等离子体氧化法氧化Al膜表面，成为氧化铝膜(第二Al₂O₃膜)5-2。结果，由第一氧化铝膜5-1和第二氧化铝膜5-2形成的绝缘层5所形成的绝缘层是，在传感部13的膜厚约为1.3nm，除此之外的部分的膜厚约为3.3nm。此绝缘层5的部分较薄的区域(传感部)在制成元件后起隧道势垒的作用。

以下，与第一制造方法同样地进行制造。即，如图12A所示，在此薄绝缘膜5上形成膜厚约3.3nm的Co膜作为第二磁性金属层6。然后，在第二磁性金属层6上形成膜厚约17nm的NiFe膜作为固定侧磁性层7。在固定侧磁性层7上再形成膜厚约50nm的FeMn膜作为反铁磁性层8。

如图12B所示，采用离子铣法、RIE法等去除元件之外的部分，在这些去除的部分形成绝缘层15-1、15-2。之后，在绝缘层15-1、15-2和反铁磁性层8上，形成膜厚约50nm的Ta膜作为上部电极9。

如此制造的磁性传感器，当从上部电极9向下部电极2流动传感电流(一定的直流电流)17时，流过氧化铝制成的绝缘膜5的隧道电流集中地流过膜厚相对较薄的传感部13，这种部位起到作为传感部的作用。因此，膜厚相对较薄的部分可以形成在磁性层内的任意位置，最好设置在自由磁性层3的磁畴最容易旋转的中央附近，确保此磁畴的圆滑地旋转。

(磁头的应用例)

上述的磁性传感器，通常可以应用于磁头。目前作为磁头，记录用方面采用电容型磁头(感应磁头)，重放用方面采用GMR磁头，将这两种磁头一体化的复合型磁头已得到开发及实用化。

GMR磁头一般采用自旋阀结构(但是没有隧道结)。可原样采用具有上述隧道结的自旋阀结构的磁性传感器，代替这种复合型磁头的GMR磁头。

(其他应用例)

以下说明本发明的磁性传感器应用于磁性编码器的例子。

图13A是在磁性编码器中使用的本实施方式的磁性传感器50的示意图。此磁性传感器50包括电源端子V、接地端子GND、输出A端子A-OUT、输出B端子B-OUT。作为磁性传感器50，电源端子V和输出A端子A-OUT之间接合第一铁磁性隧道结元件TMR(Tunnel-MR)1，电源端子V和输出B端子B-OUT之间接合第二铁磁性隧道结元件TMR2，接地端子GND和输出A端子A-OUT之间接合第三铁磁性隧道结元件TMR3，接地端子GND和输出B端子B-OUT之间接合第四铁磁性隧道结元件TMR4。

各个铁磁性层隧道结元件(即TMR1-TMR4)，构成串联连接的6个隧道结(51-1～51-6、52-1～52-6、53-1～53-6、54-1～54-6)。隧道结51-1～54-6各个的接合面约为50μm×50μm。

图13B是图13A的磁性传感器50的等效电路图。

以下简单说明图13A所示磁性传感器的制造方法。首先，采用图13C所示的掩模，形成膜厚约17nm的NiFe膜作为自由磁性层，然后连续地成膜膜厚约3.3nm的Co膜作为第一磁性金属层。

替换掩模之后，形成膜厚约1.3nm的Al作为绝缘膜，对表面进行氧化处理。采用第一制造方法和第二制造方法中说明的等离子体氧化法进行氧化处理，在传感部形成薄氧化膜，在其他区域形成相对较厚的氧化膜。也可以通过其他氧化处理例如自然氧化法进行氧化处理。

形成氧化膜之后替换掩模，形成膜厚约3.3nm的Co膜作为第二磁性金属层，形成膜厚约17nm的NiFe膜作为固定侧磁性层，形成膜厚约45nm的FeMn膜作为反铁磁性层。再在其上层叠膜厚约8nm的Ta膜作为上部电极。如上所述，通过自旋阀型磁性传感器和同样的层构成及制造工序，制成磁性编码器。

以下，说明磁性编码器的工作。

图14A是图13A所示磁性编码器的磁致电阻曲线的模式示意图。如与式(1)相关的说明，固定反铁磁性层(FeMn膜)8，以使铁磁性隧道结元件TMR的上部层12的磁化方向M_上与下部层10的磁化方向M_下垂直。如图14A所示，在与上部层12的磁化方向M_上相同的方向，对铁磁性隧道结元件TMR施加外磁场时(即外磁场-H)，上部层12的磁化方向M_上和下部层10的磁化方向M_下成为同向平行的关系。即，两个磁化方向的相对角度θ成为0°，于是根据式(1)铁磁性隧道结元件TMR的电阻值为最小值，R＝Rs。此时的最小电阻值为RL。

对铁磁性隧道结元件TMR的外磁场为零时，下部层10的磁化方向M_下旋转，上部层12和下部层10的磁化方向的相对角度(为90°，根据式(1)铁磁性隧道结元件TMR的电阻值R＝Rs+0.5ΔR。外磁场为零时的电阻值成为R0。

在与上部层12的磁化方向M_上相反的方向，对铁磁性隧道结元件TMR施加外磁场时(即外磁场H)，下部层10的磁化方向M_下旋转，上部层12的磁化方向M_上和下部层10的磁化方向M_下成为反向平行的关系。即，两个磁化方向的相对角度θ成为180°，于是根据式(1)铁磁性隧道结元件TMR的电阻值为最大值，R＝Rs+ΔR。此时的最大电阻值为RH。

如上所述，外磁场为-H、0、+H时，铁磁性隧道结元件TMR的电阻值为RL、R0、RH，它们的关系是RL＜R0＜RH。这种关系如图14A所示。

图14B是说明此编码器工作原理的图。被检测用磁场发生磁体55和隧道结元件TMR构成磁性传感器50，处于图示位置关系。磁场发生磁体55是细长磁体，N极和S极交互磁化，一组SN极的间隔(磁化周期)为λ。TMR1～TMR4在磁场发生磁体55附近，为沿纵向的相对平行移动的关系。

即，最初隧道结元件TMR1～TMR4构成的磁性传感器50在传感位置[1]所示的位置。各个铁磁性隧道结元件TMR按λ/4间隔配置。由移动速度决定的一定时间t后，磁性传感器50沿图中右方向平行移动λ/4，到达传感位置[2]所示位置。但是应注意，如果用图表示传感位置[2]与传感位置[1]重叠，则难以分辨，所以图中可见，是在离开磁场发生磁体55的方向移动的方式予以图示，实际上是在磁场发生磁体55的附近(即传感位置[1]的位置)沿磁体纵向相对平行移动。传感位置[3]和[4]也是同样的方式。

在传感位置[2]的磁性传感器50，再经过一定时间t后到达传感位置[3]，再经过一定时间t后到达传感位置[4]，如此平行移动。

首先，图14B的传感位置[1]的时候，受到来自磁场发生磁体55的外磁场影响，各个隧道结元件成为：

TMR1＝RL、TMR2＝R0、TMR3＝RH、TMR4＝R0。图15A是与图13A对应的图，但是从此等效电路可见，由于输出端子A是通过TMR1和TMR3对电压V分压，输出端子B是通过TMR2和TMR4对电压V分压，所以输出A端子和输出B端子的VA、VB如下所示：

VA＝V·TMR3/(TMR1+TMR3)＝V·RH/(RL+RH)……(5)

VB＝V·TMR4/(TMR2+TMR4)＝V·R0/(R0+R0)……(6)

根据式(5)和(6)的结果，分别得到下式：

VA＝V·RH/(RL+RH)＝VH………(7)

VB＝V·R0/(R0+R0)＝V/2＝V0………(8)

然后，在图14B的传感位置[2]时，成为

TMR1＝R0，TMR2＝RH，TMR3＝R0，TMR4＝RL

因此，输出A端子和输出B端子的电压输出VA、VB如下所示：

VA＝V·TMR3/(TMR1+TMR3)＝V·R0/(R0+R0)＝V/2＝V0

…(9)

VB＝V·TMR4/(TMR2+TMR4)＝V·RL/(RH+RL) …(10)

根据式(10)的结果，得到下式：

VA＝V·RL/(RL+RH)＝VL……(11)

同样，在图14B的传感位置[3]时，成为：

TMR1＝RH，TMR2＝R0，TMR3＝RL，TMR4＝R0

因此，输出A端子和输出B端子的电压输出VA、VB如下所示：

VA＝V·TMR3/(TMR1+TMR3)＝V·RL/(RH+RL)＝VL

……(12)

VB＝V·TMR4/(TMR2+TMR4)＝V·R0/(R0+R0)＝V/2＝V0

……(13)

同样，在图14B的传感位置[3]时，成为：

TMR1＝R0，TMR2＝RL，TMR3＝R0，TMR4＝RH

因此，输出A端子和输出B端子的电压输出VA、VB如下所示：

VA＝V·TMR3/(TMR1+TMR3)＝V·R0/(R0+R0)＝V/2＝V0

……(14)

VB＝V·TMR4/(TMR2+TMR4)＝V·RH/(RL+RH)＝VH

……(15)

然后，磁性传感器50重复位于与磁场发生磁体55的S、N极对应的传感位置[1]-[4]。图15B是磁性传感器50的输出波形示意图。

图16是利用图14说明的工作原理的实际磁性编码器的示意图。此磁性编码器包括旋转磁体56及其附近配置的磁性传感器50。实际中，用旋转磁体56代替无限长的磁场发生磁体55。

旋转磁体56的直径为10mm，轴直径为5mm，在其圆周上配置16组呈放射状的SN极组。此时，磁化周期λ约为1.5mm。传感中心与旋转磁体56的放射状磁化部分的中央位置重合，由此决定磁性传感器50的位置。

磁性传感器50中，各个铁磁性隧道结元件TMR与旋转磁体56的放射状延伸的磁体平行，并且各个元件间隔必须为λ/4。为此，各元件TMR的夹角约为5.6°，相邻元件的中心部的间隔为0.37mm。这样的磁性编码器通过旋转该旋转磁体56，从磁性传感器50的各铁磁性隧道结元件TMR5得到图15B说明的输出波形。即，磁性传感器50相对于旋转磁体56移动仅一个磁化周期λ时，发生1个周期的输出脉冲。

正如与自旋阀型磁性传感器相关的说明那样，在各铁磁性隧道结元件TMR的隧道结中，在磁性层区域内的最适当位置形成传感部。结果，自由磁性层不受磁性层端部的影响，各个磁畴的磁化可以容易地旋转。

这样，根据本实施方式，可以提供新型的磁性传感器、磁头和磁性编码器。

根据本实施方式，由于可以充分确保自由磁性层的磁化的旋转，所以通常可应用于具有良好灵敏度的磁性传感器、磁头、和磁性编码器等磁性传感器。

(第二实施方式)

参考图17说明本发明第二实施方式的磁头。图17是本实施方式的磁头的剖面图。其中，图17B是图17A的铁磁性隧道结元件的放大剖面图。

如图17A所示，在本实施方式的磁头中，采用其电阻随外磁场变化而变化的铁磁性隧道结元件210，铁磁性隧道结元件210包括自由层214、势垒层216、固定层218、和反铁磁性层220。

如图17B所示，自由层214由膜厚3nm的NiFe层221和膜厚3nm的Co层224构成。这样，形成与自由层214的Co层224相邻的、膜厚1nm的Al₂O₃层构成的势垒层216。

形成与势垒层216相邻的、由膜厚3nm的Co层226和膜厚3nm的NiFe层228构成的固定层218，形成与固定层218相邻的由NiO层构成的反铁磁性层220。

而且，隔开铁磁性隧道结元件210，形成NiFe层构成的屏蔽层212a、212b，在铁磁性隧道结元件210和屏蔽层212a、212b之间形成Al₂O₃层构成的非磁性层222。其中，图面下侧是磁头的信号检测面230。

如此构成的铁磁性隧道结元件210，如果在固定层218和自由层214之间施加电压，则电流通过势垒层216流动。

图17A展示了磁记录载体的记录位232接近铁磁性隧道结元件210的状态。实际上，磁记录载体上形成了多个记录位232，但图17A省略了。

磁记录载体的记录位232如果接近铁磁性隧道结元件210，则自由层214的磁化方向旋转。在其另一方，由于固定层218邻接反铁磁性层220形成，所以磁化方向仍旧固定。

如图17A所示，本实施方式的磁头的特征在于，自由层214在离开信号检测面230的方向延伸，延伸的自由层214的端部与屏蔽层212a连接。

在本实施方式中，由于自由层214与由高导磁率的NiFe层构成的屏蔽层212a连接，所以来自记录位232的磁通容易通过自由层214。由于自由层214在离开信号检测面230的方向延伸，所以可降低自由层214中的退磁场的影响，由此，自由层214的磁化方向的旋转角可以较大。而且，由于在离开信号检测面230的区域中，自由层214平缓地与屏蔽层212连接，所以可进一步降低自由层214中的退磁场的影响。

参考图18说明本实施方式的磁头的自由层214的磁化方向的变化。图18是通过计算求出接近记录位时自由层的磁化方向的模式图。箭头表示磁化方向。而且，椭圆包围的区域是自由层的磁化角度在一定角度以上的区域。其中，图18表示离信号检测面约20nm范围的自由层的磁化方向。

采用自旋阀结构的磁头中，由于使磁芯细微化，如图6所示，信号检测面430附近和磁芯400上部附近产生退磁场的影响。因此，接近记录位332时自由层414的磁化角度θ₁较小，从而难以获得高输出。

与此相反，本实施方式中，由于自由层214在离开信号检测面230的方向延伸，所以固定层218和自由层214的接合区域附近中难以产生退磁场的影响。由此，如图18所示，接近记录位232时自由层214的磁化方向的变化产生于在离开信号检测面230的区域，因而可以获得较大的磁化角度θ₁。

因此，本实施方式中，与已有的磁头相比，接近记录位232时铁磁性隧道结元件210的电阻变化可以较大，由此能够获得高的检测灵敏度。

这样，在本实施方式中，自由层在离开信号检测面的方向延伸，由于延伸的自由层端部与高导磁率的屏蔽层连接，所以可以降低自由层中的退磁场的影响。因此，由于可以降低自由层和固定层接合区域附近的退磁场的影响，所以接合区域中的磁化方向的旋转角可以较大，接近记录位时的电阻变化可以较大。因此，即使在接合区域宽度狭窄的情形，也可以提供检测灵敏度非常高的磁头，并适用于磁记录载体的高密度记录。

(其他具体例(之一))

参考图19说明本发明第二实施方式的磁头其他具体例(之一)。图19是本具体例的磁头的剖面图。其中，图19B是图19A的铁磁性隧道结元件的放大剖面图。

如图19所示，在本实施方式中，退磁场影响小的区域作为固定层218和自由层214的接合区域234。

即，在固定层218的边缘由于产生退磁场的影响，所以磁化方向的旋转角较小，但是在本具体例中，固定层218中央部分附近区域的势垒层216的厚度薄至生成隧道结的程度，固定层218边缘附近区域的势垒层216较厚。由此，除了固定层218的边缘的区域，即退磁场影响小的区域成为接合区域234，所以来自记录位的磁场使铁磁性隧道结元件210电阻产生的变化可以较大。

这样，在本实施方式中，由于退磁场影响小的区域作为接合区域，所以可以提供检测灵敏度高的磁头。

(其他具体例(之二))

参考图20说明本发明的第二实施方式的磁头的其他具体例(之二)。图20是本具体例的磁头的剖面图。

如图20所示，在本具体例中，固定层218a由膜厚2nm的NiFe层228、膜厚2nm的Co层226、膜厚1nm的Ru层236和膜厚3nm的Co层240构成，除此之外，其余与图17所示第二实施方式的磁头相同。

在本具体例中，由于固定层218a由NiFe层228、Co层226、Ru层236和Co层240构成，所以在Co层226和Ru层236之间构成反铁磁性耦合。由此，可以抑制磁场从固定层218a到达自由层214，所以可以抑制自由层214的偏置点漂移。

这样的具体例中，由于固定层由NiFe层228、Co层226、Ru层236和Co层240的层叠膜构成，所以可在Co层226和Co层240之间构成反铁磁性耦合，可以抑制磁场从固定层到达自由层。因此，可以抑制自由层的偏置点漂移。

(其他具体例(之三))

参考图21说明本发明的第二实施方式的磁头的其他具体例(之三)。图21是本具体例的磁头的剖面图。其中，图21B是图21A的铁磁性隧道结元件的放大剖面图。

如图21A所示，本具体例的磁头，其特征在于固定层218不从信号检测面230上露出，与自由层214的端部连接的屏蔽层212a接地。

本具体例中，由于固定层218不在信号检测面230上露出，所以即使在固定层218和磁记录载体(图中未示出)之间产生电位差的情形也能够防止发生放电。

而且，在本具体例中，在信号检测面230露出的自由层214通过屏蔽层212a接地，所以磁记录载体接地，由此自由层214和磁记录载体之间的电位可以相等。因此，可以防止自由层214和磁记录载体之间产生电位差，从而可以防止产生从自由层214向磁记录载体放电。因此，本具体例中，可以防止因放电破坏记录位的记录信息。

在本具体例中，由于固定层218和自由层214的接合区域234离开信号检测面230，所以即使摩擦接合面230，到达固定层218和自由层214的接合区域的摩擦也很小。因此，可以防止固定层218和自由层214的接合区域234的减少。

因此，根据本具体例，也可以适用于信号检测面230与磁记录载体接触的接触型磁头。

根据这种具体例，由于固定层不在信号检测面露出，所以即使在固定层和磁记录载体之间产生电位差的情形也能够防止发生放电。而且，由于在信号检测面露出的自由层通过屏蔽层接地，所以通过磁记录载体接地，自由层和磁记录载体之间的电位可以相等。因此，可以防止自由层和磁记录载体之间产生电位差，由于可以防止产生从自由层向磁记录载体放电，所以可防止破坏磁记录载体的记录位的记录信息。

而且，在本具体例中，由于固定层和自由层的接合区域离开信号检测面，所以即使摩擦信号检测面，到达固定层和自由层的接合区域的摩擦也很小。因此，可以防止固定层和自由层的接合区域的减少。因此，也可以适用于信号检测面与磁记录载体接触的接触型磁头。

(第三实施方式)

参考图22说明本发明第三实施方式的磁头。图22是本实施方式的磁头剖面图。为使说明简明，与图17至图21所示的第二实施方式的磁头相同的构成要素采用同样的符号。

如图22所示，本实施方式的磁头，其特征在于铁磁性隧道结元件210a具有两个铁磁性隧道结。

即，以自由层214为中心面对称地形成与势垒层216基本相同的势垒层216a，以自由层214为中心面对称地形成与固定层218基本相同的固定层218a。

而且，以自由层214为中心面对称地形成与反铁磁性层220基本相同的反铁磁性层220a。

如果记录位(图中未示出)接近铁磁性隧道结元件210a，则固定层218的磁化方向与固定层218b的磁化方向相同。

由于铁磁性隧道结210a具有两个铁磁性隧道结，所以通过这两个铁磁性隧道结的输出相加，可以实现高灵敏度检测。

而且，通过检测铁磁性隧道结元件210a的两个铁磁性隧道结输出的差分，可以消除同位相的噪声。

根据这种实施方式，由于以自由层为中心面对称地形成两个铁磁性隧道结，所以通过这两个铁磁性隧道结输出的相加，可以实现高的灵敏度。而且，通过检测两个铁磁性隧道结输出的差分，可以消除同位相的噪声。

(第四实施方式)

参考图23说明本发明第四实施方式的磁头。图23是本实施方式的磁头的侧面图。与图17至图21所示的第二实施方式的磁头相同的构成要素采用同样的符号，以使说明简明。

如图23所示，本实施方式的磁头的特征在于自由层214a的形状。即，在信号检测面230的附近，或者说在固定层218和自由层214a之间的接合区域234附近，自由层214a的宽度比固定层218的宽度宽出一定程度，但是随着离开信号检测面230而缓缓地扩展。所以随着离开信号检测面230，自由层214a的宽度扩展很大。

在自由层单纯形成长方形的情形，即使在不施加外磁场的状态，自由层的磁化方向也倾向于自由层的纵向。但是，本实施方式中，由于采用图23所示的形状，所以可防止在不施加外磁场的状态，在接合区域234中的自由层214a的磁化方向倾斜。由此，施加外磁场时，由于接合区域234附近的自由层214a的磁化方向的旋转充分，所以能够提供检测灵敏度高的磁头。

在这种实施方式中，自由层的宽度随着离开信号检测面而扩展，进一步离开信号检测面的区域中自由层的宽度扩展非常大，因而在不施加外磁场的状态，可以抑制自由层的磁化方向倾向于接合区域。因此，施加外磁场时，接合区域附近的自由层的磁化方向的旋转角可以较大，能够提供检测灵敏度高的磁头。

(第五实施方式)

参考图24说明本发明第五实施方式的磁头。图24是本实施方式的磁头从信号检测面看的平面图。与图17至图21所示的第二至第四实施方式的磁头相同的构成要素采用同样的符号，使说明省略或简明。

如图24所示，本实施方式的磁头的特征在于，除固定层218和自由层214b之间接合区域234之外的区域的自由层214b，远离固定层218那样地弯曲。

由于除固定层218和自由层214b之间接合区域234之外的区域的自由层214b，以远离固定层218弯曲，所以即使在因磁记录载体的高记录密度化而导致磁道间距狭窄的情况，也可以免受来自相邻磁道记录位的磁场影响。

这种实施方式中，由于除固定层和自由层的接合区域之外的区域的自由层以远离固定层的方式弯曲，所以可降低来自相邻磁道的记录位的磁场。由此，可以免受来自相邻磁道记录位的磁场影响，从而使其可以适应磁记录载体的高记录密度。

(其他具体例(之一))

参考图25说明本发明第五实施方式的磁头的其他具体例。图25是本具体例的磁头从信号检测面看的平面图。

如图25所示，在本具体例中，除固定层218和自由层214c之间接合区域234之外的区域的自由层214c，远离固定层218那样地弯曲，弯曲的自由层214c再远离屏蔽层212a那样地弯曲。由此，屏蔽层212a和屏蔽层212b的相隔距离可以减小，所以能够使检测信号的部分细微化，可以适应磁记录载体的更高的记录密度。

在这种具体例中，除固定层和自由层之间接合区域之外的区域的自由层，以远离固定层的方式弯曲，弯曲的自由层再远离屏蔽层那样地弯曲。由此，可以减小屏蔽层之间的相关距离，从而能够使检测信号的部分细微化，可以适应磁记录载体的更高的记录密度。

(变形实施方式)

本发明并不限于上述实施方式，可以做出各种变形。

例如，在第一实施方式中，起自由层作用的下部层10在离开信号检测面的方向延伸，延伸的下部层0的端部也可以与导磁率高的屏蔽层连接。这样，可以进一步降低传感部13的退磁场的影响，进一步提高检测灵敏度。

而且，在第一实施方式中，也可以把下部层10形成为图24所示自由层214那样。即，在除传感部13之外的区域中，也可以远离上部层12那样地弯曲下部层10。这样可以降低来自相邻磁道记录位的磁场影响，从而可以适应磁记录载体的高记录密度化。

而且，采用第一实施方式的磁性传感器的磁头，能够适用于硬盘装置。通过采用灵敏度高的磁性传感器，可以对应于磁记录载体的高记录密度化。

而且，在第二至第五实施方式中，自由层与屏蔽层连接，但是自由层并不仅限于与屏蔽层连接，也可以与导磁率高的磁体适当地连接。

在第二至第五实施方式中，对磁头进行了说明，但是采用上述磁头，可以提供硬盘装置。而且，采用多个上述磁头，可以提供硬盘阵列装置。

在第一至第五实施方式中，作为自由层和固定层的材料采用NiFe层和Co层，但是自由层和固定层的材料并不限于NiFe层和Co层，自由层和固定层也可以采用其他任何层，只要能够实现铁磁性隧道结即可。

[产业上的利用可能性]

本发明适用于磁性传感器、磁头、磁性编码器和硬盘装置，特别适用于能实现良好灵敏度的磁性传感器、磁头、磁性编码器，以及适应磁记录载体高密度化的磁头和采用这种磁头的大记录容量的硬盘装置。

Claims

1.一种具有铁磁性隧道结的磁性传感器，其特征在于包括：

磁化方向可自由旋转的自由层，以及

在所述自由层上形成的、第一区域厚度较薄的势垒层，

自由层的与所述第一区域对应的区域起检测外磁场的作用。

2.根据权利要求1的磁性传感器，其特征在于，所述势垒层是通过氧化金属表面而形成的。

3.根据权利要求1或2的磁性传感器，其特征在于还包括：

在所述势垒层上形成的固定层，以及

在所述固定层上形成的、固定所述固定层的磁化方向的反铁磁性层。

4.根据权利要求3的磁性传感器，其特征在于，

位于上方不形成所述固定层的区域上的所述自由层，以远离所述固定层的方式弯曲。

5.一种磁头，其特征在于具有权利要求1-4中任一项记载的磁性传感器。

6.一种磁性编码器，其特征在于具有权利要求1-4中任一项记载的磁性传感器。

7.一种磁头，其特征在于包括：

磁化方向可自由旋转的自由层，具有通过势垒层与所述自由层的一面对置、由相邻反铁磁性层固定磁化方向的固定层的铁磁性隧道结元件，

所述自由层与高导磁率部件连接。

8.根据权利要求7的磁头，其特征在于，在离开信号检测面的区域，所述自由层与所述高导磁率部件连接。

9.根据权利要求7或8的磁头，其特征在于，所述自由层平缓地接近所述高导磁率部件并与其连接。

10.根据权利要求7-9中任一项的磁头，其特征在于，所述高导磁率部件是离开所述铁磁性隧道结元件而形成的屏蔽层。

11.根据权利要求7-10中任一项的磁头，其特征在于，所述固定层边缘附近的所述势垒层厚度，比所述固定层中央部位附近的所述势垒层厚度更厚。

12.根据权利要求7-11中任一项的磁头，其特征在于，所述自由层形成为在离开信号检测面的区域中宽度增加。

13.根据权利要求7-12中任一项的磁头，其特征在于，所述固定层不露出所述信号检测面。

14.根据权利要求7-13中任一项的磁头，其特征在于，所述高导磁率部件接地。

15.根据权利要求7-14中任一项的磁头，其特征在于，位于不与所述固定层对置的区域中的所述自由层，以远离所述固定层的方式弯曲。

16.根据权利要求7-15中任一项的磁头，其特征在于，所述铁磁性隧道结元件还具有另一固定层，该固定层通过在所述自由层另一面侧形成的另一势垒层而与所述自由层对置，并利用与其相邻的另一反铁磁性层固定磁化方向。

17.一种硬盘装置，其特征在于具有权利要求5、7-16中任一项记载的磁头。

18.一种硬盘阵列装置，其特征在于具有多个权利要求17记载的硬盘装置。