[发明专利]磁传感器和使用它的磁存储器

说明书

本申请是基于2000年2月3日提出的日本专利申请No.2000-26752的并要求以它为优先权，该申请的内容在这里引入作为参考。

本发明涉及一种磁传感器，并且尤其涉及一种通过磁场带来的电阻变化来检测外部施加的磁场的磁传感器。特别是，本发明涉及使用非常薄(＜10nm)的Ni-Fe膜来检测磁场的磁传感器，如自旋阀磁致电阻传感器。本发明还涉及使用这种磁传感器的磁存储器。

在很多领域磁传感器是不可缺少的。举例说，磁传感器被用于各种计算机的磁存储器的磁头中。

用于计算机的一般的磁存储器是硬盘设备，并且使用具有在硬质基片如铝基片上提供的用于记录的磁性材料薄膜的并且由驱动装置(盘驱动器)来旋转的硬盘作为记录介质，使用附接于称作滑动器的磁头移动机构的一个端部的磁头把信息写入到记录介质上并从记录介质读出信息。硬盘的存储容量逐年来增加，用于硬盘设备的磁头必须与这种趋势相适应。

作为用于具有高数据密度的硬盘的读出头，使用了磁致电阻(MR)效应并检测外部磁场的变化来作为电阻变化以及把该变化作为电压变化而输出的MR头正替代使用电感应原理的感应型传统磁头。MR头使用显示出各向异性的磁致电阻效应的单层膜(通常是Ni-Fe膜)来检测外部磁场。

最近，GMR头已经被应用于实际中，GMR头使用巨磁电阻(GMR)效应并具有比传统MR头更高的灵敏度，从而当施加相同的外部磁场时表现出更大的电阻变化，因此可能提供更大的输出。在GMR头中发现的巨磁电阻效应源于多层膜。已知有具有多层结构的几种类型的膜表现出巨磁电阻效应。其中，一种是在大部分实际的GMR头中使用的自旋阀(SV)膜，其具有简单的层状结构并且甚至在微弱的磁场下都具有相对大的电阻变化。

原则上，自旋阀膜具有层状结构，其中依次成层至少4层，即具有可变方向的磁化强度并且被称为自由磁性层(也简称为自由层)的第一层、非磁性层、具有固定的方向的磁化强度并被称为固定磁性层(也简称为固定层或被钉扎层)的第二磁性层以及通过与其交换耦合而用于固定第二磁性层(被固定的磁性层)的磁化方向的反铁磁层。当对这种层状结构的自旋阀膜施加外部磁场时，被固定磁性层的磁化方向被固定并且不被改变，而自由磁性层的磁化方向根据外部磁场的方向而改变，因此，自旋阀膜的电阻由于两层的磁化强度的相对比率的改变而改变。自旋阀膜的电阻率在被固定磁性层与自由磁性层的磁化方向相同时(它们的磁化方向差是0度)最小，并且当两层的磁化方向相反时(它们的磁化方向差是180度)最大。这样，由于自旋阀膜的电阻取决于自由磁性层和被固定磁性层的磁化方向的相对取向，自旋阀膜可提供非常灵敏的磁检测器。

这种在磁头中使用的自旋阀膜包括由薄非磁性中间层分隔开的两个磁性层和用于固定一个磁性层的磁化方向的反铁磁层，如上所述。使用这种自旋阀膜制造的磁头通常具有一个基片，在该基片上形成磁传感器的各个层，开始在基片上形成底层(也叫作缓冲层)，在底层上连续形成由软铁磁材料的第一磁性层(自由磁性层)、非磁性层、铁磁材料的第二磁性层(被固定的磁性层)以及反铁磁层构成的自旋阀膜，在自旋阀膜上提供保护膜(抗氧化膜)。如上所述具有其中反铁磁层经插入两个磁性层而远离基片这样的结构的磁头被叫作顶置型磁头。相反，其中反铁磁层更靠近基片并且位于基片和两个磁性层之间的结构的磁头被叫作底置型磁头。

对于基片，通常使用诸如铝-TiC(通常叫作AlTiC)的材料。通常由钽(Ta)构成的底层用来在形成第一磁性层期间把第一磁性层取向到预定的取向平面，并防止材料从基片扩散。两个磁性层之间的非磁性层通常由铜(Cu)构成。

在大多数情况下，用于自旋阀膜中所使用的自由磁性层的软铁磁材料由包含81wt％Ni和19wt％Fe的材料构成，或者由具有那一成分的一个合金层和不同的铁磁合金的另一层构成。自旋阀膜中所使用的自由磁性层通常厚度小于10nm。81wt％Ni和19wt％Fe的成分被选择来用于这一层的原因是它产生优良的软磁性能，即高磁导率、低各向异性、低矫顽力和几乎为零的磁致伸缩。

适合于诸如具有增加的存储密度的硬盘设备的磁存储器的读出头具有用于检测磁场的非常小的尺寸的传感器部分。这表明要求把用在这种磁头中的层状结构制造得更薄，并且最终要求把构成层状结构的各个层做得很薄。