DE69835410T2

DE69835410T2 - Magnetoresistiver Lesekopf mit abgeschirmtem magnetischem Tunnelübergang

Info

Publication number: DE69835410T2
Application number: DE69835410T
Authority: DE
Inventors: Frederick Hayes South Salem Dill; Robert Edward San Jose Fontana JNR; Stuart Stephen Papworth San Jose Parkin; Ching Hwa Sunnyvale Tsang
Original assignee: Hitachi Global Storage Technologies Netherlands BV
Current assignee: HGST Netherlands BV
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2018-10-21
Also published as: EP0911811A3; CN1223431A; JP2002304711A; KR19990036637A; US5898548A; JPH11213351A; JP3300291B2; SG67574A1; DE69835410D1; EP0911811B1; MY116285A; KR100295288B1; CN1144183C; EP0911811A2

Description

Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen magnetische Tunnelübergangsvorrichtungen (MTJ-Vorrichtungen) und im Besonderen eine magnetische Tunnelübergangsvorrichtung (MTJ-Vorrichtung) zur Verwendung als Magnetowiderstands-Lesekopf (MR-Lesekopf) zum Abfühlen von magnetisch auf einem Medium aufgezeichneten Daten.
Eine magnetische Tunnelübergangsvorrichtung (MTJ) umfasst zwei ferromagnetische Schichten, die durch eine dünne, isolierende Tunnelsperrschicht getrennt werden und beruht auf dem Phänomen der spinpolarisierten Elektronentunnelung. Eine der ferromagnetischen Schichten hat in einer Richtung des angelegten magnetischen Felds ein höheres Sättigungsfeld, was üblicherweise auf die im Vergleich zur anderen ferromagnetischen Schicht höhere Koerzitivfeldstärke dieser Schicht zurück zu führen ist. Die isolierende Tunnelsperrschicht ist dünn genug, dass quantenmechanische Tunnelung zwischen den ferromagnetischen Schichten entsteht. Dieses Tunnelungsphänomen ist vom Elektronenspin abhängig, was die magnetische Antwort des MTJ zu einer Funktion von den relativen Ausrichtungen und Spinpolarisierungen der beiden ferromagnetischen Schichten werden lässt.
MTJ-Vorrichtungen sind primär als Speicherzellen für Festkörperspeicher vorgesehen. Der Zustand einer MTJ-Speicherzelle wird durch Messen des MTJ-Widerstands, wenn ein Abfühlstrom senkrecht durch den MTJ von einer ferromagnetischen Schicht zur anderen fließt, bestimmt. Die Wahrscheinlichkeit einer Tunnelung der Ladungsträger durch die isolierende Tunnelsperrschicht hängt von der relativen Ausrichtung der magnetischen Momente (Magnetisierungsrichtungen) der beiden ferromagnetischen Schichten ab. Der Tunnelstrom ist spinpolarisiert, was bedeutet, dass der von einer der ferromagnetischen Schichten, etwa einer Schicht deren magnetisches Moment festgelegt oder an der Drehung gehindert ist, hindurchtretende elektrische Strom überwiegend aus Elektronen eines Spintyps (Spin-Up oder Spin-Down, je nach Ausrichtung des magnetischen Moments der ferromagnetischen Schicht) besteht. Der Spinpolarisierungsgrad des Tunnelstroms wird durch die elektronische Bandstruktur des Magnetwerkstoffs bestimmt, das die ferromagnetische Schicht an der Grenzfläche der ferromagnetischen Schicht mit der Tunnelsperrschicht umfasst. Die erste ferromagnetische Schicht agiert daher als Spinfilter. Die Wahrscheinlichkeit einer Tunnelung der Ladungsträger ist abhängig von der Verfügbarkeit der Elektronenzustände mit der gleichen Spinpolarisierung wie die Spinpolarisierung des elektronischen Stroms in der zweiten ferromagnetischen Schicht. Wenn das magnetische Moment der zweiten ferromagnetischen Schicht parallel zum magnetischen Moment der ersten ferromagnetischen Schicht ist, sind üblicherweise mehr Elektronenzustände verfügbar, als wenn das magnetische Moment der zweiten ferromagnetischen Schicht antiparallel zu jenem der ersten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist. Demzufolge ist die Tunnelungswahrscheinlichkeit der Ladungsträger am höchsten, wenn die magnetischen Momente beider Schichten parallel sind und am niedrigsten, wenn die magnetischen Momente beider Schichten antiparallel sind. Wenn die Momente weder parallel noch antiparallel angeordnet sind, nimmt die Tunnelungswahrscheinlichkeit einen Zwischenwert an. Der elektrische Widerstand der MTJ-Speicherzelle hängt sowohl von der Spinpolarisierung des elektrischen Stroms, als auch den Elektronenzuständen in beiden ferromagnetischen Schichten ab. Daraus ergibt sich, dass die beiden möglichen Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schicht, deren Magnetisierungsrichtung nicht festgelegt ist, eindeutig zwei mögliche Bitzustände (0 oder 1) der Speicherzelle definieren.
Ein Magnetowiderstands-Sensor (MR-Sensor) erlasst Magnetfeldsignale durch die Widerstandsveränderungen eines Sensors aus Magnetwerkstoff in Abhängigkeit von der Stärke und der Richtung des vom Sensor registrierten Magnetflusses. Herkömmliche MR-Sensoren, wie z. B. jene, die als Magnetowiderstands-Leseköpfe zum Abfühlen von Daten in Magnetaufzeichnungs-Laufwerken, arbeiten mittels eines anisotropen Magnetwiderstands-Effekts (AMR-Effekts) des Magnetwerkstoff-Volumens, das üblicherweise aus Permalloy (Ni₈₁Fe₁₉) ist. Ein Bestandteil des Widerstands der Leseeinheit variiert wie der Kosinuswinkel des Winkels zwischen der Magnetisierungsrichtung der Leseeinheit und der Richtung des Abfühlstroms durch die Leseeinheit. Die aufgezeichneten Daten können von einem Magnetmedium, wie etwa von einer Platte in einem Plattenlaufwerk, gelesen werden, da das äußere Magnetfeld vom aufgezeichneten Magnetmedium (Nutzfeld) eine Richtungsänderung der Magnetisierung der Leseeinheit bewirkt, die wiederum eine Widerstandsänderung der Leseeinheit verursacht und eine entsprechende Änderung im abgefühlten Strom oder Spannung hervorruft. In herkömmlichen MR-Leseköpfen fließt der Abfühlstrom, Spannung hervorruft. In herkömmlichen MR-Leseköpfen fließt der Abfühlstrom, im Gegensatz zu MTJ-Vorrichtungen, in paralleler Ausrichtung zur ferromagnetischen Schicht der Leseeinheit.
Die Verwendung einer MTJ-Vorrichtung als Magnetowiderstands-Lesekopf zur Magnetaufzeichnung wird im Patent US-A-5.390.061 erläutert. In diesem MTJ-Lesekopf wird der elektrische Abfühlstrom zur MTJ-Vorrichtung mittels elektrischer Leiter in Form von dünnen Metallschichten geleitet, die sich über und unterhalb der MTJ-Vorrichtung befinden. Diese Leiter haben üblicherweise eine Dicke von einigen hundert Angström. Herkömmlicherweise werden die Magnetowiderstands-Leseköpfe (MR-Leseköpfe) zwischen dicken, hoch-permeablen magnetischen Schichten oder Abschirmungen platziert, von denen die Leiter durch nichtelektrische leitende Schichten mit ausreichender Dicke elektrisch isoliert werden müssen, wie in 10 des Patents US-A-5.390.061 dargestellt. Für Magnetaufzeichnungsvorrichtungen mit hoher Aufzeichnungsdichte muss die Größe des MR-Lesekopfes und dazugehörige Komponenten verringert werden, wenn die Größe der magnetischen Bits zur Informationsspeicherung reduziert wird. Im Besonderen die Abstandsbreite zwischen den Magnetabschirmungen, zwischen denen der MR-Lesekopf üblicherweise positioniert ist, muss verkleinert werden, damit der MR-Lesekopf magnetische Bits mit reduzierten Bitlängen abfühlen kann. Die Dicke der MTJ-Vorrichtung und der leitenden Anschlussdrähte und der isolierenden Schichten kann nicht beliebig verkleinert werden und dadurch wird schließlich eine Grenze der höchstmöglichen Aufzeichnungsdichte erreicht. US-A-5729410 beschreibt einen MTJ-MR-Lesekopf mit longitudinaler Vormagnetisierung, worin die MTJ-Vorrichtung elektrische Anschlussdrähte zur MR-Abfühlschaltungsanordnung hat. Die Anschlussdrähte stehen in Kontakt zum isolierenden Abstandsmaterial und das Abstandsmaterial hat wiederum Kontakt zu den Magnetabschirmungen, so dass die Drähte von den Abschirmungen elektrisch isoliert sind. Was benötigt wird, ist ein MR-Lesekopf mit einer MTJ-Vorrichtung inklusive Abfühldrähten, die dünn genug hergestellt werden können, um eine hohe Aufzeichnungsdichte durch eine Verkleinerung des Abstands zwischen den Magnetabschirmungen zu erhalten. EP-A-0791916 offenbart einen Magnetowiderstands-Lesekopf mit magnetischem Tunnelübergang, in dem es einen oberen und einen unteren Ab schirmungsbereich auf jeder Seite einer Magnetowiderstands-Vorrichtung gibt. Leitende Schichten, die als Abstandsschichten fungieren, verbinden die Magnetowiderstands-Vorrichtung mit den Abschirmungsschichten. Die Magnetowiderstands-Vorrichtung kann dann mit der MTJ-Vorrichtung, wie zuvor beschrieben, übereinstimmen. Demgemäß entspricht dieses Dokument dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird folgendes bereitgestellt:
Ein Magnetowiderstands-Lesekopf mit magnetischem Tunnelübergang zum Abfühlen von magnetisch auf einem Medium aufgezeichneten Daten, wenn dieser mit einer Abfühlschaltungsanordnung verbunden ist, welcher Kopf dadurch gekennzeichnet ist, dass er Folgendes umfasst:
eine erste elektrisch leitende Magnetabschirmung;
eine erste elektrisch leitende Abstandsschicht, die auf der ersten Abschirmung angeordnet ist;
einen magnetischen Tunnelübergang, der auf der ersten Abstandsschicht angeordnet ist und Folgendes umfasst:
eine festgelegte ferromagnetische Schicht, deren Magnetisierungsrichtung entlang einer bevorzugten Richtung festgelegt ist, sodass deren Drehung in der Gegenwart eines vom Medium angelegten magnetischen Felds im Wesentlichen verhindert ist;
eine ferromagnetische Abfühlschicht, deren Magnetisierungsrichtung in Abwesenheit eines angelegten magnetischen Felds im Wesentlichen senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der festgelegten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist und sich in Gegenwart eines vom Medium angelegten magnetischen Felds frei drehen kann;
eine isolierende Tunnelsperrschicht, die zwischen der festgelegten ferromagnetischen Schicht und der ferromagnetischen Abfühlschicht angeordnet ist und in Kon takt zu diesen steht, um einen Tunnelstrom in einer im Wesentlichen senkrecht zur festgelegten ferromagnetischen Schicht und der ferromagnetischen Abfühlschicht stehenden Richtung zuzulassen;
eine zweite elektrisch leitende Abstandsschicht, worin der magnetische Tunnelübergang zwischen der ersten und der zweiten Abstandsschicht angeordnet ist und in Kontakt zu diesen steht;
eine zweite elektrisch leitende Magnetabschirmung die auf der zweiten Abstandsschicht angeordnet ist; wodurch ein elektrisch leitfähiger Weg von der ersten Abschirmung zur ersten Abstandsschicht und durch den magnetischen Tunnelübergang hindurch zur zweiten Abstandsschicht und zur zweiten Abschirmung bereitgestellt ist;
worin:
der Kopf weiters eine ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht umfasst, um die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Abfühlschicht in Abwesenheit eines angelegten magnetischen Felds in einer im Wesentlichen senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der festgelegten ferromagnetischen Schicht stehenden Richtung longitudinal vorzumagnetisieren.
Die Dicke der Abstandsschicht kann so ausgewählt werden, dass der Abstand zwischen den Abschirmungen optimiert wird, was ein Parameter zur Kontrolle der linearen Auflösung der Daten ist, die vom Magnetaufzeichnungsmedium gelesen werden können. Um die Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Abschirmungen, wenn der Abstand zwischen den Abschirmungen zu gering ist, zu reduzieren, kann jede Abschirmung mit einem Sockelbereich versehen sein, wobei die MTJ zwischen den beiden Sockelbereichen positioniert ist, so dass der Abstand zwischen zwei Abschirmungen außerhalb der Sockelbereiche größer, als innerhalb der Sockelbereiche ist.
Zum besseren Verständnis der Art und der Vorteile der vorliegenden Erfindung, wird auf die folgende, detaillierte Beschreibung zusammen mit den dazugehörigen Zeichnungen verwiesen werden.
1 ist ein einfaches Blockdiagramm eines herkömmlichen Magnetaufzeichnungs-Laufwerks zur Verwendung mit einem eingelassenen MTJ-MR-Lesekopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht des Laufwerks von 1 mit abgenommener Abdeckung.
3 ist ein senkrechter Querschnitt eines herkömmlichen integrierten, induktiven Schreibkopfs/MR-Lesekopfs, wobei der MR-Lesekopf zwischen den Abschirmungen und angrenzend an den induktiven Schreibkopf platziert ist, damit veranschaulicht werden kann, wo der MTJ-MR-Lesekopf der vorliegenden Erfindung platziert wäre.
4A ist eine Schnittansicht durch den MTJ des MTJ-MR-Lesekopfes der gegenständlichen Erfindung und stellt die Richtung des Abfühlstrom-Flusses durch die magnetische Abschirmungen dar, die als elektrische Anschlüsse dienen und senkrecht durch den MTJ verlaufen.
4B ist eine Schnittansicht eines MTJ-MR-Lesekopfs der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung der Position des MTJ und anderer, zum Sensor-Ende des Kopfes gehörender Schichten.
5 ist eine Schnittansicht zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des MTJ-MR-Lesekopfes der vorliegenden Erfindung, worin der MTJ zwischen den Sockelbereichen der Magnetabschirmungen platziert ist.
6A–6E veranschaulichen die Fertigungsschritte des MTJ-MR-Lesekopfes der vorliegenden Erfindung.
Stand der Technik
Zuerst wird 1 erläutert, in der in Schnittansicht eine schematische Darstellung eines Laufwerksmodells mit MR-Sensor gemäß Stand der Technik abgebildet ist. Das Laufwerk umfasst eine Basis 10, an der ein Laufwerksmotor 12 und ein Aktuator 14 sowie eine Abdeckung 11 befestigt sind. Die Basis 10 und die Abdeckung 11 stellen ein im wesentlichen abgedichtetes Gehäuse für das Laufwerk bereit. Herkömmlicherweise ist eine Dichtung 13 zwischen der Basis 10 und der Abdeckung 11 platziert und ein kleines Lüftungsloch (nicht abgebildet) befindet sich zum Druckausgleich zwischen dem Inneren des Laufwerks und der äußeren Umgebung. Eine Magnetaufzeichnungsplatte 16 ist mit dem Laufwerksmotor 12 durch eine Nabe 18 verbunden, an der zum Drehen der Laufwerksmotor 12 angeschlossen ist. Ein dünner Schmierfilm 50 befindet sich auf der Oberfläche der Platte 16. Ein Schreib-/Lesekopf oder Wandler 25 ist auf dem hinteren Ende eines Kopfträgers, wie z. B. eines luftgelagerten Gleitstücks 20 ausgebildet. Wandler 25 ist ein Lese-/Schreibkopf und umfasst einen induktiven Schreibkopfteil und einen MR-Lesekopfteil, wie unter Bezugnahme auf 3 näher erläutert wird. Das Gleitstück 20 ist mit dem Aktuator 14 durch einen starren Arm 22 und eine Aufhängung 24 verbunden. Die Aufhängung 24 stellt eine Vormagnetisierungskraft bereit, die das Gleitstück 20 auf die Oberfläche der Aufzeichnungsplatte 16 drückt. Während des Laufwerksbetriebs dreht der Laufwerksmotor 12 die Platte 16 mit konstanter Geschwindigkeit und der Aktuator 14, üblicherweise ein linearer oder Rotations-Schwingspulenmotor (VCM), bewegt das Gleitstück 20 im wesentlichen radial über die Oberfläche der Platte 16, so dass der Lese-/Schreibkopf 25 auf verschiedene Datenspuren auf der Platte 16 zugreifen kann.
2 ist eine Draufsicht des Laufwerksinneren, wobei die Abdeckung 11 entfernt ist, zur detailgenauen Veranschaulichung der Aufhängung 24, die eine Kraft bereit stellt, um das Gleitstück 20 Richtung Platte 16 zu bewegen. Die Aufhängung kann ein herkömmliches Aufhängungsmodell sein, wie etwa die bekannte Watrous-Aufhängung, wie im IBM Patent US-A-4.167.765 offenbart. Dieses Aufhängungsmodell stellt ebenfalls eine Kardanaufhängung des Gleitstücks bereit, die es dem Gleit stück ermöglicht, während seiner Bewegung mittels Luftlagerung zu nicken und zu rollen. Die von der Platte 16 durch den Wandler 25 gelesenen Daten werden in ein Datenauslesesignal durch Signalverstärkung und Verarbeitungsschaltung in dem am Arm 22 ausgebildeten Chip mit integriertem Schaltkreis 15 weiterverarbeitet. Die Signale vom Wandler 25 bewegen sich mit Hilfe eines flexiblen Kabels 17 zum Chip 15, dessen Ausgabesignale zur Laufwerkssteuerung (nicht abgebildet) mittels Kabel 19 gesendet werden.
3 ist ein senkrechter Querschnitt des integrierten Schreib-/Lesekopfs 25, der einen MR-Lesekopfteil und einen induktiven Schreibkopfteil umfasst. Der geläppte Kopf 25 ist in Form einer Abfühloberfläche des Kopfträgers ausgebildet, so wie die luftgelagerte Oberfläche (ABS) eines luftgelagerten Gleitstückmodells des Kopfträgers. Die Abfühloberfläche oder ABS ist von der Oberfläche der drehenden Platte 16 (1) durch die Luftlagerung, wie zuvor erläutert, beabstandet. Der Lesekopf umfasst einen MR-Sensor 40, der sich zwischen einer ersten und einer zweiten Spaltschicht G1, G2 befindet, die wiederum zwischen der ersten und der zweiten Magnetabschirmungsschicht S1, S2 positioniert sind. Die elektrischen Leiter (nicht abgebildet), die vom MR-Sensor 40 hin zur Abfühlschaltung des Chips 15 führen (2), stehen in Kontakt mit dem MR-Sensor 40 und sind zwischen dem MR-Sensor 40 und den Spaltschichten G1 und G2 platziert. In einem herkömmlichen Laufwerk ist der MR-Sensor 40 ein AMR-Sensor. Der Schreibkopf umfasst eine Spulenschicht C und eine Isolierschicht 12, die sich zwischen den Isolierschichten I1 und I2 befinden, welche wiederum zwischen dem ersten und dem zweiten Polschuh P1, P2 positioniert sind. Eine Spaltschicht G3 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Polschuh P1, P2 an deren Polspitzen angrenzend an die ABS platziert, um einen Magnetluftspalt bereit zu stellen. Während des Schreibens wird der Signalstrom durch die Spulenschicht C geleitet und der Fluss in die erste und den zweite Polschicht P1, P2 induziert, was dazu führt, dass der Fluss an der ABS sich über die Polspitzen aufteilt. Dieser Fluss magnetisiert kreisförmige Spuren auf der rotierenden Platte 16 während des Schreibvorgangs. Während eines Lesevorgangs injizieren magnetisierte Bereiche der drehenden Platte 16 einen Fluss in den MR-Sensor 40 des Lesekopfs, was zur Widerstandsveränderungen im MR-Sensor 40 führt. Diese Widerstandsverände rungen werden durch Registrieren der Spannungsänderungen am MR-Sensor 40 erfasst. Die Spannungsänderungen werden durch den Chip 15 (2) und die Laufwerkssteuerung weiterverarbeitet und in Benutzerdaten umgewandelt. Die Schreib-/Lesekopf-Kombination, abgebildet in 3, ist ein "fusionierter" Kopf, in dem die zweite Abschirmungsschicht S2 des Lesekopfs als erster Polschuh P1 für den Schreibkopf verwendet wird. In einem Huckepackkopf (nicht abgebildet) sind die zweite Abschirmungsschicht S2 und der erste Polschuh P1 separate Schichten.
Die oben erwähnte Beschreibung eines herkömmlichen Magnetaufzeichnungslaufwerks mit einem AMR-Lesekopf, samt den dazugehörigen 1–3, wurden lediglich zur besseren Veranschaulichung erläutert. Laufwerke könne eine große Anzahl an Platten und Aktuatoren enthalten und jeder Aktuator kann einige Gleitstücke unterstützen. Außerdem kann der Kopfträger, anstatt aus einem luftgetragenen Gleitstück, so gefertigt sein, dass er in Kontakt oder nahem Kontakt zu Platte steht, wie etwa bei einem Flüssigkeitslager oder anderen den Kopf in Kontakt oder nahem Kontakt zur Platte haltenden Aufzeichnungslaufwerken.
Bevorzugte Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung ist ein MR-Lesekopf mit einem MTJ-Sensor zur Verwendung anstelle eines MR-Sensors 40 im Lese-/Schreibkopf 25 der 3.
4A ist eine Schnittansicht eines MTJ-MR-Lesekopfs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie diese aussehen würde, wenn der Schnitt durch eine ebene Fläche hindurch, deren Kante in 3 als Linie 42 und aus Sicht der Plattenoberfläche ausgeführt wäre. Daher ist die Papierebene der 4A eine ebene Fläche, die parallel zur ABS und im wesentlichen durch den aktiven Abfühlbereich, etwa den Tunnelübergang, des MTJ-MR-Lesekopfs verläuft, um die den Kopf bildenden Schichten zu zeigen. 4B ist eine senkrecht zur Ansicht der 4A verlaufende Schnittansicht mit der Abfühloberfläche 200 oder ABS auf der rechten Seite.
Bezugnehmend auf 4A–4B umfasst der MTJ-MR-Lesekopf eine elektrisch leitende Abstandsschicht 102, die direkt auf der ersten Magnetabschirmung S1 ausgebildet ist, eine unterhalb positionierte, elektrisch leitende Abstandsschicht 104 in direktem Kontakt zur zweiten Magnetabschirmung S2 und dem MTJ 100, der als Stapel von Schichten zwischen den elektrischen Abstandsschichten 102, 104 ausgebildet ist. Die Manetabschirmungen S1, S2 dienen nun beide als Magnetabschirmungen und als elektrisch leitende Anschlussdrähte zur Verbindung des MTJ 100 mit der Abfühlschaltungsanordnung. Diese wird in 4A dargestellt, wobei Pfeile die Richtung des Stromflusses durch die erste Abschirmung S1, senkrecht durch die Abstandsschicht 102, MTJ 100, Abstandsschicht 104 und heraus durch die zweite Abschirmung S2 anzeigen.
Der MTJ 100 umfasst einen ersten vielschichtigen Stapel Elektroden 110, eine isolierende Tunnelsperrschicht 120 und einen oberen Stapel Elektroden 130. Jede Elektrode beinhaltet eine ferromagnetische Schicht in direktem Kontakt zur Tunnelsperrschicht 120, also die ferromagnetischen Schichten 118 und 132.
Der untere Elektrodenstapel 110 ist auf der Abstandsschicht 102 ausgebildet und umfasst eine Keim- oder "Templatschicht" 112 auf der Abstandsschicht 102, eine Schicht antiferromagnetischen Materials 116 auf der Templatschicht 112 und eine "festgelegte" ferromagnetische Schicht 118, die auf der darunter liegenden, antiferromagnetischen Schicht 116 ausgebildet und mit dieser austauschgekoppelt ist. Die ferromagnetische Schicht 118 wird als festgelegt bezeichnet, da das magnetische Moment oder die Magnetisierungsrichtung vom Drehen in Gegenwart eines angelegten magnetischen Felds im gewünschten interessierenden Bereich gehindert wird. Der Topelektrodenstapel 130 umfasst eine "freie" oder "abfühlende" ferromagnetische Schicht 132 und eine Schutz- oder Deckschicht 134, die auf der Abfühlschicht 132 ausgebildet ist. Die ferromagnetische Abfühlschicht 132 ist nicht mit einer antiferromagnetischen Schicht Austausch gekoppelt und ihre Magnetisierungsrichtung ist somit frei in Gegenwart eines angelegten magnetischen Feldes im interessierenden Bereich drehbar. Die ferromagnetische Abfühlschicht 132 ist so gefertigt, dass ihr magnetisches Moment oder ihre Magnetisierungsrichtung (mittels der Pfeile 133 dar gestellt) im wesentlichen parallel zur ABS (die ABS ist eine Ebene parallel zur Papierebene in 4A und wird in 4B als 200 dargestellt) und im wesentlichen senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 in Abwesenheit eines angelegten magnetischen Feldes ausgerichtet ist. Die Magnetisierungsrichtung der im Elektrodenstapel 110 knapp unterhalb der Tunnelsperrschicht 120 festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 wird durch eine Grenzflächen-Austauschkopplung mit der direkt darunter liegenden antiferromagnetischen Schicht 116 festgelegt, die auch ein Teil des unteren Elektrodenstapels 110 ist. Die Magnetisierungsrichtung der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 ist im wesentlichen senkrecht zur ABS ausgerichtet, also aus oder in die Papierebene der 4A, wie durch das Pfeilende 119 ausgewiesen.
Ebenfalls in 4A abgebildet ist die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 zur longitudinalen Vormagnetisierung der Magnetisierung der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 sowie eine Isolationsschicht 160, die die Vormagnetisierungsschicht 150 von der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 und anderen Schichten des MTJ 100 trennt und isoliert. Zur besseren Veranschaulichung ist die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 nicht in 4B abgebildet. Die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 ist aus hartem Magnetwerkstoff, wie etwa aus einer CoPtCr-Legierung, deren magnetisches Moment in derselben Richtung wie das magnetische Moment 133 der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 in Abwesenheit eines angelegten magnetischen Feldes ausgerichtet ist. Die Isolierschicht 160, die vorzugsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Siliziumoxid (SiO₂) ist, hat eine ausreichende Dicke, um die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 vom MTJ 100 und den Abstandsschichten 102, 104 elektrisch zu isolieren, aber ist noch dünn genug, um die magnetostatische Kopplung (mit dem gestrichelten Pfeil 153 angezeigt) mit der ferromagnetischen Abfühlschicht zuzulassen. Das Produkt M·t (wobei M das magnetische Moment pro Flächeneinheit des Materials in der ferromagnetischen Schicht und t die Dicke der ferromagnetischen Schicht ist) der ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht 150 muss größer als oder gleich M·t der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 sein, um eine stabile Vormagnetisierung sicherzustellen. Da das magnetische Moment von Ni_(100-x)-Fe_(x) (x entspricht etwa 19), das üb licherweise in der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 verwendet wird, etwa zwei mal so groß ist wie das magnetische Moment eines herkömmlichen hartmagnetischen Werkstoffs zur Verwendung in ferromagnetischen Vormagnetisierungsschichten 150, wie z. B. Co₇₅Pt₁₃Cr₁₂, ist die Dicke der ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht 150 mindestens ungefähr zweimal so breit wie die der ferromagnetischen Abfühlschicht 132.
Ein Abfühlstrom I wird vom elektrisch leitenden Material der ersten Abschirmung S1 zur ersten Abstandsschicht 102, senkrecht durch die antiferromagnetische Schicht 116, die festgelegte ferromagnetische Schicht 118, die Tunnelsperrschicht 120 und die ferromagnetischen Abfühlschicht 132 und dann zur zweiten Abstandsschicht 104 und hinaus durch die zweite Abschirmung S2 geleitet. Wie zuvor erläutert, ist die durch die Tunnelsperrschicht 120 geleitete Tunnelstrommenge eine Funktion der relativen Magnetisierungsrichtungen der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 und der ferromagnetischen Abfühlschicht 132, die aneinander angrenzen und in Kontakt zur Tunnelsperrschicht 120 stehen. Das Magnetfeld der aufgezeichneten Daten bringt die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 dazu sich von Richtung 133 weg zu drehen, also entweder in oder aus der Papierebene in 4A. Diese verändert die relative Ausrichtung des magnetischen Moments der ferromagnetischen Schichten 118, 132 und somit auch die Tunnelstrommenge, deren Änderung als Veränderung im elektrischen Widerstand der MTJ 100 zu erkennen ist. Diese Widerstandsänderungen werden von der Laufwerkssteuerung entdeckt und die von der Platte abgerufenen Signale in Daten umgewandelt. Der Abfühlstrom wird durch die Abschirmungen S1 und S2 daran gehindert die ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht 150 durch die elektrisch isolierende Schicht 160 zu erreichen, welche auch die ferromagnetischen Vormagnetisierungsschichten 150 vom MTJ 100 und den Abstandsschichten 102, 104 isoliert.
Ein repräsentativer Materialiensatz für MTJ 100 (4A–4B) wird nun näher erläutert. Alle Schichten des MTJ 100 entstehen in Gegenwart eines zur Oberfläche des Trägermaterials parallelen, magnetischen Felds. Das magnetische Feld richtet die ferromagnetischen Schichten in ihrer bevorzugten Richtung aus. Eine 5 nm Ta- Keimschicht (nicht abgebildet) wird zuerst auf der 10–50 nm Cu-Schicht ausgebildet, die als Abstandsschicht 102 dient. Entsprechende Werkstoffe für Abstandsschichten sind jene, die elektrisch leiten, aber nicht zwingend einen bestimmten Leitfähigkeitswert haben müssen, da die Abstandsschichten sehr dünn sind. Solche Metalle, die weniger leitfähig sind als Cu, können eingesetzt werden, wenn sie entsprechende Schichten mit dem passenden Glättegrad ausbilden, auf denen dann die verschiedenen dünnen Schichten entstehen, die die MTJ-Vorrichtung 100 beinhaltet. Eine zusätzliche Anforderung an die in 4A und 4B gezeigte Ausführung ist, dass der Abstandsschichtwerkstoff während des Betriebs nicht prompt über die luftgelagerte Oberfläche schlittert, als Folge eines gelegentlichen Kontakts an der ABS zur Magnetplatte. Diese Anforderung ist nicht relevant, wenn die MTJ-Vorrichtung und die Abstandsschichten von der ABS versenkt angeordnet sind, so dass die Abstandsschichten nie in direkten Kontakt mit der vom MTJ-MR-Kopf zu lesenden Magnetplatte kommen könnten. Die Keimschicht besteht aus einem Material, das dem (111)-Wachstum der kubisch flächenzentrierten (fcc) Ni₈₁Fe₁₉ Templatschicht 112 fördert. Die ferromagnetische Templatschicht 112 verstärkt die Bildung einer antiferromagnetischen Schicht 116. Zweckmäßiger Keimschichtwerkstoff umfasst fcc-Metalle, wie Cu, als auch Ta oder eine Kombination von Schichten, wie etwa 3–5 nm Ta/3–5 nm Cu. Der untere MTJ-Elektrodenstapel 110 umfasst einen Stapel von 4 nm Ni₈₁Fe₁₉/10 nm Fe₅₀Mn₅₀/8 nm Ni₈₁Fe₁₉ (Schichten 112, 116, 118, in dieser Reihenfolge), die auf der Ta-Keimschicht entstanden sind, die sich wiederum auf der 10–20 nm Cu-Schicht 102 befindet. Die Cu-Schicht 102 ist direkt auf dem Werkstoff für die erste Abschirmung S1 ausgebildet, die als Trägermaterial verwendet dient. Als nächstes ist die Tunnelsperrschicht 120 durch Abscheidung und anschließende Plasmaoxidation einer 0,5–2 nm Al-Schicht ausgebildet. Dies erzeugt eine aus Al₂O₃ bestehende, isolierende Tunnelsperrschicht 120. Der obere Eelektrodenstapel 130 besteht aus 5 nm Ni-Fe/10 nm Ta (Schichten 132, 134, in dieser Reihenfolge). Die Ta-Schicht 134 dient als Deckschicht als Korrosionsschutz der MTJ 100 während der Umwandlung. Der Topelektrodenstapel 130 hat Kontakt zu einer 20 nm Au-Schicht, die als Abstandsschicht 104 verwendet wird.
Es ist wichtig, dass die Schichten im unteren Elektrodenstapel 110 glatt sind und dass die Al₂O₃-Tunnelsperrschicht 120 keine Korrosionsstellen hat, die den Übergang elektrisch kurzschließen würden. Beispielsweise eine Entstehung durch Sputtern-Techniken, die dafür bekannt sind, gute Riesen-Magnetwiderstands-Effekte in Vielschicht-Metallstapeln zu erzeugen, ist ausreichend.
Eine alternative ferromagnetische Abfühlschicht 132 kann aus einer dünnen aus Co oder Co_(100-x)Fe_(x) (x entspricht etwa 70) oder Ni_(100-x)-Fe_(x) (x entspricht etwa 60) bestehenden Schicht sein, die an der Grenzfläche zwischen der ferromagnetischen Abfühlschicht 132 und der Tunnelsperrschicht 120 liegt, mit der Masse der Schicht 132 aus wenig magnetostriktivem Material, wie etwa Ni_(100-x)-Fe_(x) (x entspricht etwa 19). Die Netto-Magnetostriktion dieses Abfühlschichttyps mit einer dünnen Grenzflächen-Schicht aus Co oder Co_(100-x)Fe_(x) (x entspricht etwa 70) oder Ni_(100-x)-Fe_(x) (x entspricht etwa 60) ist so angeordnet, dass sie einen Wert nahe 0 bei leichten Zusammensetzungsveränderungen der Masse der Schicht 132 hat. Eine alternative festgelegte ferromagnetische Schicht 118 kann größtenteils aus einer Schicht mit einer Masse aus Ni_(100-x)-Fe_(x) (x entspricht etwa 19) mit einer dünnen Schicht aus Co oder Co_(100-x)Fe_(x) (x entspricht etwa 70) oder einer Schicht aus Ni_(100-x)-Fe_(x) (x entspricht etwa 60) bestehen und an der Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht 120 positioniert sein. Das größte Signal wird mit Co oder Ni_(100-x)-Fe_(x)(x entspricht etwa 60), mit der höchsten Polarisierung, oder einer Co_(100-x)Fe_(x)-Legierung (x entspricht etwa 70) erzielt. Die Grenzfläche ist am besten etwa 1–2 nm dick. Die gesamte Magnetostriktion der zusammengesetzten Schicht ist so gestaltet, dass sie nahe bei 0 durch kleine Zusammensetzungsveränderungen liegt. Wenn die Masse der Schicht 118 aus Ni-Fe besteht, dann besteht die Zusammensetzung aus Ni₈₁Fe₁₉, einer Zusammensetzung, die für die Masse Ni-Fe Null Magnetostriktion aufweist.
Die aus Fe-Mn bestehende, antiferromagnetische Schicht 116 kann mit einer Ni-Mn-Schicht oder einer passenden antiferromagnetischen Schicht ersetzt werden, die den ferromagnetischen Werkstoff in der festgelegten Schicht 118 austausch-vormagnetisiert und die einen im Gegensatz zur Al₂O₃-Schicht 120 wesentlich geringeren Widerstand hat. Außerdem kann die festgelegte ferromagnetische Schicht aus magne tisch "hartem" hoch koerzitiven Material bestehen, wodurch der Bedarf an einer antiferromagnetischen Schicht nicht gegeben ist, wogegen das magnetische Moment der festgelegten ferromagnetischen Schicht in der bevorzugten Ausführungsform durch Grenzflächen-Austauschkopplung festgelegt ist. Die harte festgelegte ferromagnetische Schicht kann somit aus einer Reihe ferromagnetischer Materialien bestehen, etwa aus Co-Legierungen mit einem oder mehrerer anderer Elemente, inklusive Legierungen aus Co-Pt-Cr, Co-Cr-Ta, Co-Cr-Legierungen, Co-Sm, Co-Re, Co-Ru, Co-Ni-X (X = Pt, Pd oder Cr) oder aus einer Reihe quarternärer Legierungen, wie Co-Ni-Cr-Pt und Co-Pt-Cr-B.
Während die MTJ-Vorrichtung, wie in den 4A–4B beschrieben und dargestellt, die festgelegte ferromagnetische Vorrichtung am Boden des MTJ 100 hat, kann die Vorrichtung auch zuerst durch Abscheiden der ferromagnetischen Abfühlschicht, dann der Tunnelsperrschicht, der festgelegten ferromagnetischen Schicht und der antiferromagnetischen Schicht ausgebildet werden. Bei einer derartigen MTJ-Vorrichtung wären die Schichten dann im wesentlichen gegensätzlich zur Darstellung des MTJ 100 wie in 4A–4B angeordnet.
Um eine hohe Aufzeichnungsdichte (die Quantität der Daten, die per Flächeneinheit auf der Plattenoberfläche gespeichert wird) zu erlangen, werden der MTJ 100 und die damit verbundenen Abstandsschichten 102, 104 direkt zwischen den Magnetabschirmungen S1, S2 platziert, wie in den 4A–4B zu sehen ist, ohne dass separate elektrische Leitungsschichten und isolierendes Abstandsmaterial zur Trennung der Anschlussdrähte von den Abschirmungen nötig wäre. Die aus relativ breiten, höchst durchlässigen Magnetschichten bestehenden Magnetabschirmungen ermöglichen es dem MR-Sensor individuelle magnetische Umwandlung ohne störende benachbarte Umwandlungen abzufühlen. Daher kann der MR-Sensor magnetische Bits mit kleinerer Bitlänge erkennen als ansonsten mögliche wäre. Die Auflösung eines MR-Sensors wird durch den Abstand s zwischen den Magnetabschirmungsschichten S1 und S2 (siehe 4B) und der Distanz zwischen der Abfühloberfläche 200 und dem Magnetfilm auf der Platte bestimmt. Um die in einer linearen Dichte magnetischer Bits von 125 000 pro Zoll (entspricht 5 Umwandlungen per Mikrometer) mit Abstand angeordneten, magnetischen Bits in einem Plattenlaufwerk mit Sensor auf dem Magnetfilmabstand von 0,02 Mikrometern zu erfassen, wäre zum Beispiel ein Abstand zwischen den Abschirmungsschichten von s~0,2 Mikrometer erforderlich.
In der vorliegenden Erfindung müssen die Abschirmungen S1 und S2 elektrisch leitend und von einer entsprechend hohen magnetischen Permeabilität sein. Die Abschirmungen können aus verschiedenen NiFeX-Legierungen (wobei X gleich Ta, Rh, Pt oder Nb ist) oder aus CoZrNb-Legierungen oder aus Sendust-Legierungen (FeAlSi) sein. Wie in 4B abgebildet, ermöglicht die vorliegende Erfindung es dem Abstand s in seiner Dicke durch die zusammengesetzten Dicken der isolierenden Spaltenschichten G1 und G2 (3), die zur elektrischen Isolierung des MR-Sensors verwendet wurden, verringert zu werden. Der Abstand s kann natürlich in der Dicke weiter durch eine Reduzierung der Dicke der Abstandsschichten 102 und 104 verringert werden. Während prinzipiell jeder mit der MTJ-Vorrichtung in Serie geschaltete Widerstand die Signalgröße der MTJ-Vorrichtung verringert, ist der Widerstand zwischen den Abstandsschichten 102 und 104 im MTJ-MR-Lesekopf der vorliegenden Erfindung unbedeutend.
Im bekannten Stand der Technik, wie in 3 dargestellt, gibt es die Möglichkeit des elektrischen Kurzschlusses der Anschlussdrähte des MR-Sensors 40 an den Abschirmungen S1 und S2, wenn die Spaltschichten G1 und G2 zu dünn erzeugt wurden. Im MTJ-MR-Lesekopf der vorliegenden Erfindung wurde dieses Problem beseitigt, da die Abschirmungen nun als elektrische Anschlussdrähte fungieren, die den MTJ 100 mit der Abfühlschaltungsanordnung zu verbinden.
In der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung führt die Verringerung des Abstands zwischen den Abschirmungen S1, S2 zu einer entsprechenden Erhöhung in der linearen Auflösung des MTJ-MR-Lesekopfes. Dies kann durch folgendes Beispiel veranschaulicht werden: Die Dicke einer herkömmlichen MTJ-Vorrichtung 100 beträgt ~66 nm (bestehend aus Schichten mit 5 nm Ta + 15 nm Pt + 4 nm Ni₈₁Fe₁₉ + 10 nm Fe₅₀Mn₅₀ + 6 nm Ni₈₁Fe₁₉ + 1 nm Al₂O₃ + 5 nm Ni₈₁Fe₁₉ + 20 nm Ta). Herkömmlicherwei se kann die minimale Dicke der isolierenden Spaltschichten G1, G2 jeweils ~20 nm betragen. Wenn die MTJ-Vorrichtung 100 in einer Konstruktion mit den Spaltschichten G1, G2 verwendet wird, beträgt der Abstand zwischen S1 und S2 daher 106 nm. Dies führt zu einer linearen Auflösung, die 250 000 Umwandlungen pro Zoll entspricht (angenommen die Bitlänge ist nur wenig schmäler als die Spaltenabstand). Wenn die Abstandsschichten 102, 104 direkt mit den jeweiligen Abschirmungen S1, S2 verbunden sind, werden die Spaltschichten G1 oder G2 entfernt und der Abstand zwischen den Abschirmungen wird sich auf ~66 nm verringern. Die lineare Auflösung des MR-Lesekopfes wird dann auf 400 000 Umwandlungen pro Zoll erhöht. Wenn zusätzlich die Dicke der Abstandsschichten 102 und 104 jeweils auf ~7,5 nm reduziert wird, ist dadurch eine noch höhere Auflösung von 500 000 Umwandlungen pro Zoll mit ansonsten gleichbleibender MTJ-MR-Vorrichtung möglich. Durch die Verwendung der Abstandsschichten 102, 104 und der Auswahl ihrer Dicke, kann daher die Abstandsdistanz s so optimiert werden, dass ein MTJ-MR-Lesekopf gebildet wird, der mit gewünschten linearen Auflösung arbeitet.
Der MTJ-MR-Lesekopf der vorliegenden Erfindung eignet sich für hochdichte Magnetaufzeichnungsanwendungen. Durch die Verwendung einer Konstruktion aus einer 2 nm dicken Cu-Abstandsschicht 102 und 104, einer 5 nm dicken IrMn-Austauschvormagnetisierungsschicht 116, einer 2,5 nm dicken, festgelegten ferromagnetischen Co-Schicht 118, einer 1 nm dicken Al₂O₃-Tunnelsperrschicht 120 und einer 3 nm dicken, freien ferromagnetischen Ni₈₁Fe₁₉-Schicht, können eine MTJ-Vorrichtung und Abstandsschichten mit einer gemeinsamer Dicke von nur 13,5 nm gebildet werden. Daher werden lineare Dichten, die 1 500 000 Umwandlungen pro Zoll überschreiten, möglich.
In der vorliegenden Erfindung kann die freie ferromagnetische Schicht 132 nicht in direktem Kontakt zur Magnetabschirmung S2 stehen, da das magnetische Moment dieser Schicht durch die Austauschkopplung des magnetischen Moments der Abschirmung daraufhin festgelegt wird und somit nicht optimal auf den Fluss der magnetischen Umwandlungen ins magnetische Plattenmedium reagieren kann. Dementsprechend ist es vorzuziehen, dass die antiferromagnetische Austauschvormagneti sierungsschicht 116 nicht in direktem Kontakt zur Abschirmung S1 steht, da die magnetischen Eigenschaften der Abschirmung verändert werden könnten. Im Besonderen die magnetische Durchlässigkeit der Abschirmung wird im Bereich der antiferromagnetischen Schicht reduziert. Daher können die Abstandsschichten 102, 104 eine elektrische Verbindung mit den Schichten 116, 132 in dieser Reihenfolge bereit stellen, während sie diese Schichten vor den Abschirmungen S1, S2 isolieren. Es ist jedoch in der vorliegenden Erfindung möglich, dass die in Kontakt mit der antiferromagnetischen Schicht 116 stehende Templatschicht 112 und die in Kontakt mit der freien ferromagnetischen Schicht 132 stehende Deckschicht 134 als Abstandsschichten fungieren, wenn sie aus passendem Material und mit entsprechender Dicke gebildet werden. So können etwa sowohl die Abstandsschicht 102 als auch die Templatschicht 112 aus Ta mit einer Dicke von 5–10 nm geformt sein. Demgemäß können die beiden Schichten 134 und 104 aus Ta mit einer gemeinsamen Dicke von 5–10 nm gebildet sein. In der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bestimmt die gemeinsame Dicke der MTJ-Vorrichtung 100 und die Dicke der Abstandsschichten 102, 104 die Abstandsdistanz s. Während die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den elektrisch leitenden Anschlussdrähten und den Abschirmungen ausschließt, wenn der Abstand der Abschirmungen verringert wird, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses direkt zwischen den Abschirmungen. Dies kann durch eine Vergrößerung des Abstands zwischen den Abschirmungen im von der MTJ-Vorrichtung 100 entfernten Bereich vermindert werden, wie in 5 dargestellt. In 5 hat jede Abschirmung S1, S2 jeweils einen Sockel 161, 163 in dem Bereich, wo der MTJ 100 geformt wird, so dass der Abstand s in diesem Bereich schmäler als der Abstand s' zwischen den Abschirmungen außerhalb des Bereichs, wo der MTJ 100 gebildet wird, gemacht werden kann. Auf diese Art und Weise verringert die größere Distanz s' die Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Abschirmungen S1, S2.
Ein weiterer Vorteil des MTJ-MR-Lesekopfs der vorliegenden Erfindung ist, dass der elektrische Widerstand der Abschirmungen, die nun auch als elektrische Anschlussdrähte zur MTJ-Vorrichtung agieren, gering ist, da die Abschirmungen sehr dick sind.
Wenn unabhängige elektrische Anschlussdrähte zur MTJ-Vorrichtung zwischen den Abschirmungen und dem MTJ platziert werden, müssen diese Anschlussdrähte aus dünnen elektrisch leitenden Schichten geformt und von den Abschirmungen durch zusätzliche isolierende Schichten getrennt sein. Für hochdichte Aufzeichnungsanwendungen muss der Abstand s von einer Abschirmung zur anderen klein gehalten werden, was die Dicke der elektrischen Anschlussdrähte in der Nähe der MTJ-Vorrichtung einschränkt. Daher kann ein bedeutender Spannungsabfall an diesen Anschlussdrähte auftreten. Da dieser Spannungsabfall in Serie mit dem gewünschten Signal ist, also dem Spannungsabfall an der MTJ-Vorrichtung, wird das Ausgabesignal für die ansonsten gleich gebliebenen Abfühlzustände verringert. In der MTJ-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist der Spannungsabfall an den Abschirmungen, die nun auch als elektrische Anschlussdrähte agieren, gering.
Fertigungsprozess des MTJ-MR-Lesekopfs der vorliegenden Erfindung
Unter Bezugnahme auf die 6A–6E wird im Folgenden der Erzeugungsprozess des MTJ-MR-Lesekopfes der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Prozess zur Herstellung eines MTJ-MR-Lesekopfes, gleich dem in 6, wird nun erläutert, bei dem der Abstand zwischen den Magnetabschirmungen in dem von der MTJ-Vorrichtung entfernten Bereich größer ist. Zur Erleichterung der Darstellung und der Beschreibung wird auf die Herstellungsbeschreibung eines longitudinalen Vormagnetisierungsbereichs, wie in 4A abgebildet, verzichtet.
Der Prozess beginnt, wie in 6A dargestellt, mit dem Abscheiden des Materials für die Abstandsschicht 102, die MTJ-Vorrichtung 100 und die obere Abstandsschicht 104 auf der Abschirmung S1. Das Material für Abstandsschicht 102 kann aus einer Vielzahl an leitenden Materialien, wie etwa Ta, Al, Cu, Au, W und Pt, sein und üblicherweise über eine Dicke von 0 bis 20 nm verfügen. Die antiferromagnetische Schicht 116 kann aus einer Reihe von sehr bekannten Materialien, wie z. B. Fe-Mn, Ni-Mn, Pt-Mn, Ir-Mn und Pd-Mn, bestehen. Die herkömmliche Dicke für die antiferromagnetische Schicht 116 bewegt sich in einem Bereich von 7 bis 30 nm. Die festgelegte ferromagnetische Schicht 118 ist vorzugsweise aus einer Ni-Fe-Legierung oder aus einer Doppelschicht aus einer Ni-Fe-Legierung und einem dünnen Co-Film. Die üblichen Dicken für die Ni-Fe-Legierungsschicht betragen von 2 bis 10 nm und die typischen Dicken für die Co-Schicht von 0,2 bis 2 nm. Die Dicke des Aluminiums für die Tunnelsperroxidschicht 120 bewegt sich üblicherweise im Bereich von 0,5 bis 1,5 nm. Die freie ferromagnetische Schicht 132 ist normalerweise eine Ni-Fe-Legierung oder eine Doppelschicht aus Co und einer Ni-Fe-Legierung mit einer Dicke von 10 bis 20 nm für die Ni-Fe-Legierung und einer Dicke von 0,2 bis 2 nm für das Co. Die Abstandsschicht 104 besteht aus den gleichen Materialien und Dicken, wie sie schon für die Abstandsschicht 102 erläutert wurden.
Nach der Abscheidung dieser Schichten, was üblicherweise durch Ionenstrahlabscheidung oder HF- oder Gleichstrom-Magnetron-Sputtern geschieht, werden die Schichten lithografisch mittels Resist 230 mit Mustern versehen, wie in 6B abgebildet. Ionenstrahlfräsen entfernt dann das Material, das nicht durch den Resist 230 geschützt wird, wie in 6C dargestellt. Der Ionenfräsungsprozess ist so gestaltet, dass durch die Auswahl entsprechender Bedingungen, wie etwa der Zeitpunkt des Ionenstrahlfräsens, die Schichten 102, 100 und 104 nicht nur überall entfernt werden, wo sie nicht durch den Resist 230 geschützt sind, sondern dass das Material zusätzlich noch von der Oberfläche der unteren Abschirmung S1 in die Tiefe d befördert wird. Die Resist-Schicht 230 ist üblicherweise ein doppelschichtiges Resistmaterial mit einer Unterätzung. Nach der Ionenfräsphase von 6C wird eine Schicht 250 eines isolierenden Materials, normalerweise Aluminium oder SiO₂, durch einen Ionenstrahl oder HF-Sputtern abgeschieden und zwar auf eine Dicke, die mindestens so groß bzw. größer ist als die Summe von d und der Dicken der Abstandsschicht 102 und der MTJ-Vorrichtung 100 und der Abstandsschicht 104, wie in 6D abgebildet. Nach dem Abscheiden der isolierenden Schicht 250 wird die Resist-Schicht 230 abgenommen, wobei das auf der Abstandsschicht 104 abgeschiedene, isolierende Material 250 entfernt wird. Schließlich wird die obere Abschirmungsschicht S2 durch eine Ionenstrahlabscheidung oder HF- oder Gleichstrom-Magnetron-Sputtern ausgebildet, wie in 6E dargestellt.
Der oben erläuterte Prozess kann auch so angepasst werden, dass longitudinale Vormagnetisierung oder Stabilisierung der freien ferromagnetischen Schicht 132 durch Einfügung des harten Magnetwerkstoffs in die Bereiche 150, wie in 4A zu sehen, bereit gestellt wird.
Die Gesamtdicke der Abstandsschichten, freier und festgelegter ferromagnetischer Schicht sowie Tunneloxidschicht und antiferromagnetischer Schicht, kann sich im Rahmen von 50–80 nm bewegen. Die untere Abschirmung S1 kann mit einer Dicke von d~30 nm überfräst sein und die Dicke der isolierenden Schicht, die im in 6 dargestellten Fertigungschritt abgeschieden wurde, kann 120 nm betragen. Daher führt das in den Herstellungsschritten der 6A–6E beschriebene Beispiel zu einem MTJ-MR-Lesekopf mit einem Auflösungsspalt s von ~50–80 nm, aber zu einem Abstand zwischen den Abschirmungen s' weg vom MTJ-Sensor von 120 nm, anstatt 50–80 nm. Da es von Vorteil ist, die freie ferromagnetische Schicht 132 in diesem Spalt zentral zwischen den beiden Abschirmungen zu positionieren (also die Anordnungsschicht 132 mit einem Abstand von s/2), wird dies durch eine Anpassung der Dicke der Abstandsschichten 102 und 104, der Dicke der Überfräsung von S1 und der Dicke der isolierenden Schicht 250, die im Herstellungsschritt von 6D gezeigt wurde, erzielt.
Nach der Definition und der Fertigung des MTJ-Sensors ist es notwendig, die Magnetisierungsrichtung (magnetisches Moment) der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 in die richtige Ausrichtung zu bringen. Wenn Fe-Mn als die antiferromagnetische Schicht 116 zur Austauschkoppolung mit der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 verwendet wird, so ist diese so antiferromagnetisch wie beim Abscheiden. Die Magnetisierung muss jedoch so ausgerichtet sein, dass es mit der festgelegten farromagnetischen Schicht 118 in der richtigen Ausrichtung Austauschkopplung durchführen kann. Die Struktur wird in einen Anlassofen gegeben und die Temperatur wird auf etwa 180°C eingestellt, wobei dies eine höhere Temperatur ist, als die Blockungstemperatur von Fe-Mn. Bei dieser Temperatur kann die Fe-Mn-Schicht nicht mehr länger einen Anisotropieaustausch mit der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 hervorrufen. Der Anisotropieaustausch mit der ferromagnetischen Schicht 118 wird durch eine Kühlung der beiden Schichten 116, 118 in einem Magnetfeld aufgebaut. Die Magnetisierungsrichtung der festgelegten ferromagneti schen Schicht 118 wird entlang der Richtung des angelegten Magnetfeldes verlaufen. Das angelegte Magnetfeld im Kühlofen verursacht dann, dass das Moment der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 entlang der benötigten Richtung senkrecht zur ABS, wie in 4A durch Pfeil 119 abgebildet, festgelegt wird. Dies ist das Ergebnis der Kühlung der Fe-Mn-Schicht in der benötigten Richtung in Gegenwart der ferromagnetischen Schicht 118, die vom angelegten Magnetfeld magnetisiert wird. Bei Temperaturen unter der Blockungstemperatur von Fe-Mn, in Gegenwart eines angelegten Magnetfeldes vom aufgezeichneten Medium, wird sich demzufolge die Magnetisierung der festgelegten ferromagnetischen Schicht 118 im wesentlichen nicht drehen.
Während die in 5 beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Sockel 161, 163 im gleichen Bereich wie die MTJ-Vorrichtung 100 aufweist und mit der MTJ-Vorrichtung gleich ausgerichtet ist, ist diese nicht zwingend notwendig. In einer alternativen Ausführungsform können die Sockelbereiche größer als der Bereich der MTJ-Vorrichtung 100 ausgeführt sein und die MTJ-Vorrichtung muss sich nicht im Zentrum zwischen den Sockeln befinden, obwohl die Grenzen der MTJ-Vorrichtung innerhalb der Sockelbereiche liegen müssen. Demgemäß ist nur ein Sockel auf jeder Seite der MTJ-Vorrichtung notwendig, um einen größeren Abstand zwischen den Abschirmungen S1, S2 weg von der MTJ-Vorrichtung zuzulassen. Solche eine alternative Ausführungsform nur mit dem oberen Sockel kann durch einen gleichen Fertigungsprozess, wie in den 6A–6E beschrieben, ausgebildet werden. Die MTJ-Vorrichtung 100 und die Abstandsschichten 102 und 104 sind jedoch nicht, wie in 6C, überfräst, sondern werden nur so weit als bis zur Oberfläche der Abschirmung S1 gefräst. Somit wird kein unterer Sockel ausgebildet. Der Rest des Prozesses ist ansonsten identisch. Eine Ausführungsform, in der nur der untere Sockel ausgebildet ist, wird mit den gleichen Fertigungsschritten hergestellt, wie sie in 6A–6E dargestellt sind, ausgenommen, dass nach der Abnahme des Photoresists 230 nach dem in 6D abgebildeten Schritt, die daraus resultierende Oberfläche der Vorrichtung durch einen Prozess chemisch-mechanischer Polierung planarisiert wurde. Die Abschirmung S2 wird dann direkt an der planarisierten Oberfläche abgeschieden und kein oberer Sockel wird ausgebildet.
Die Erfindung kann auch die folgenden Charakteristika umfassen:
den Lesekopf (25), der Teil eines integrierten Lese-/Schreibkopfes sein kann; und/oder
es kann eine Abfühlschaltungsanordnung mit der ersten und zweiten Abschirmung verbunden sein; und/oder
die erste und zweite Abschirmung (S1, S2) können aus einem Material aus der Gruppe bestehend aus NiFeX-Legierungen (wobei X Ta, Rh, Pt oder Nb entspricht), CoZrNb-Legierungen und FaAlSi-Legierungen sein; und/oder
der Kopf kann zum Abfühlen von Daten von einer Magnetaufzeichnungsplatte (16) sein und weiters ein luftgelagertes Gleitstück (20), mit einer luftgelagerten Oberfläche (ABS), umfassen, welche der Oberfläche der Platte gegenüber liegt, wenn Daten von der Platte durch einen Kopf (25) abgelesen werden und eine hintere Oberfläche, die im wesentlichen senkrecht zur ABS platziert ist und worin die hintere Oberfläche des Gleitstücks ein Trägermaterial ist, auf dem die erste Abschirmung (S1) ausgebildet wurde; und/oder
eine Abfühlschaltungsanordnung ist mit der ersten und der zweiten Abschirmung verbunden; und/oder
sowohl die erste als auch die zweite Abschirmung einen Sockelbereich aufweisen können und die erste Abstandsschicht auf dem Sockelbereich der ersten Abschirmung und die zweite Abstandsschicht auf dem Sockelbereich der zweiten Abschirmung ausgebildet sein kann, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Abschirmung außerhalb der Sockelbereiche größer sein kann, als an den Sockelbereichen; und/oder
der Bereich jedes Sockelbereichs im wesentlichen dem gleichen Bereich wie dem Bereich sowohl der ersten als auch der zweiten Abstandsschicht entsprechen kann; und/oder
die erste und die zweite Abschirmung aus einem Material aus der Gruppe der NiFeX-Legierungen (wobei X Ta, Rh, Pt oder Nb entspricht), CoZrNb-Legierungen und FaAlSi-Legierungen sein können; und/oder
der Kopfträger ein luftgelagertes Gleitstück sein kann, worin die Abfühloberfläche die luftgelagerte Oberfläche des Gleitstücks ist.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine besondere Ausführungsform beschrieben wurde, so versteht es sich für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung, dass verschiedene Änderungen in bezug auf Form und Details vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt, zu verlassen.

Claims

Magnetowiderstands-Lesekopf (25) mit magnetischem Tunnelübergang zum Abfühlen von magnetisch auf einem Medium (16) aufgezeichneten Daten, wenn dieser mit einer Abfühlschaltungsanordnung verbunden ist, welcher Kopf dadurch gekennzeichnet ist, dass er Folgendes umfasst: eine erste elektrisch leitende Magnetabschirmung (S1); eine erste elektrisch leitende Abstandsschicht (102), die auf der ersten Abschirmung (S1) angeordnet ist; einen magnetischen Tunnelübergang, der auf der ersten Abstandsschicht angeordnet ist und Folgendes umfasst: eine festgelegte ferromagnetische Schicht (118), deren Magnetisierungsrichtung entlang einer bevorzugten Richtung festgelegt ist, sodass deren Drehung in der Gegenwart eines vom Medium angelegten magnetischen Felds im Wesentlichen verhindert ist; eine ferromagnetische Abfühlschicht (132), deren Magnetisierungsrichtung in Abwesenheit eines angelegten magnetischen Felds im Wesentlichen senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der festgelegten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist und sich in Gegenwart eines vom Medium angelegten magnetischen Felds frei drehen kann; eine isolierende Tunnelsperrschicht (120), die zwischen der festgelegten ferromagnetischen Schicht (118) und der ferromagnetischen Abfühlschicht (132) angeordnet ist und in Kontakt zu diesen steht, um einen Tunnelstrom in einer im Wesentlichen senkrecht zur festgelegten ferromagnetischen Schicht (118) und der ferromagnetischen Abfühlschicht (132) stehenden Richtung zuzulassen; eine zweite elektrisch leitende Abstandsschicht (104), worin der magnetische Tunnelübergang zwischen der ersten und der zweiten Abstandsschicht angeordnet ist und in Kontakt zu diesen steht; eine zweite elektrisch leitende Magnetabschirmung (S2), die auf der zweiten Abstandsschicht (104) angeordnet ist; wodurch ein elektrisch leitfähiger Weg von der ersten Abschirmung (S1) zur ersten Abstandsschicht und durch den magnetischen Tunnelübergang hindurch zur zweiten Abstandsschicht und zur zweiten Abschirmung bereitgestellt ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf weiters eine ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht (150) umfasst, um die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Abfühlschicht (132) in Abwesenheit eines angelegten magnetischen Felds in einer im Wesentlichen senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der festgelegten ferromagnetischen Schicht (118) stehenden Richtung longitudinal vorzumagnetisieren.
Kopf nach Anspruch 1, weiters umfassend eine Deckschicht (134) zur Bereitstellung eines Korrosionsschutzes für den magnetischen Tunnelübergang, wobei die Deckschicht zwischen dem magnetischen Tunnelübergang und der zweiten Abstandsschicht (104) angeordnet ist.
Kopf nach Anspruch 1, worin die zweite Abstandsschicht (104) eine Deckschicht zur Bereitstellung eines Korrosionsschutzes für den magnetischen Tunnelübergang ist.
Kopf nach Anspruch 1, weiters umfassend eine in Kontakt zur festgelegten ferromagnetischen Schicht (118) stehende antiferromagnetische Schicht (116) zur Festlegung der Magnetisierungsrichtung der festgelegten ferromagnetischen Schicht durch Grenzflächen-Austauschkopplung.
Kopf nach Anspruch 4, worin die erste Abstandsschicht (102) direkt auf der ersten Abschirmung (S1) ausgebildet ist, worin die antiferromagnetische Schicht (116) zwischen der ersten Abstandsschicht (102) und der festgelegten ferromagnetischen Schicht (118) angeordnet ist, und worin die festgelegte ferromagnetische Schicht direkt auf und in Kontakt mit der antiferromagnetischen Schicht (116) ausgebildet ist.
Kopf nach Anspruch 5, weiters umfassend eine auf der ersten Abstandsschicht (102) angeordnete Templatschicht (112) zur Verbesserung der Ausbildung der antiferromagnetischen Schicht, und worin die antiferromagnetische Schicht (116) direkt auf und in Kontakt mit der Templatschicht ausgebildet ist.
Kopf nach Anspruch 5, worin die erste Abstandsschicht (102) eine Templatschicht (112) zur Verbesserung der Ausbildung der antiferromagnetischen Schicht (116) ist, und worin die antiferromagnetische Schicht direkt auf und in Kontakt mit der Templatschicht ausgebildet ist.
Kopf nach Anspruch 1, weiters umfassend: eine zwischen den ferromagnetischen Vormagnetisierungs- und Abfühlschichten angeordnete elektrisch isolierende Schicht (160) zur elektrischen Isolierung der Vormagnetisierungsschicht (150) von der Abfühlschicht; und worin die Abstandsschichten (102, 104) durch die isolierende Schicht (160) von der Vormagnetisierungsschicht (150) elektrisch isoliert sind, wodurch beim Durchleiten eines Abfühlstroms durch die erste und die zweite Abschirmung (S1, S2) dieser im Allgemeinen senkrecht durch den magnetischen Tunnelübergang hindurchtritt, ohne in die Vormagnetisierungsschicht (150) zu fließen.
Kopf nach Anspruch 1, worin die erste und die zweite Abschirmung (S1, S2) jeweils einen Sockelbereich (161, 162) umfassen, und worin die erste Abstandsschicht (102) auf dem Sockelbereich (161) der ersten Abschirmung (S1) ausgebildet und die zweite Abstandsschicht (104) auf dem Sockelbereich (162) der zweiten Abschirmung (S2) ausgebildet ist, wodurch der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Abschirmung (S1, S2) außerhalb der Sockelbereiche größer als an den Sockelbereichen ist.
Kopf nach Anspruch 1, worin die Fläche eines jeden der Sockelbereiche (161, 162) im Wesentlichen gleich groß wie die Fläche jeder der ersten und zweiten Abstandsschicht (102, 104) ist.