本发明涉及引起检测电流垂直于多个导电层堆叠的方向流动的CPP(电流垂直于平面的)磁电阻效应元件、CPP磁电阻效应元件制造方法、具有磁电阻效应元件的磁头、磁头悬挂组件、磁再现设备和磁电阻效应元件的制造设备。

最近几年，磁记录设备，包括硬盘单元的尺寸已经快速变小，因此记录密度已经显著变高。预期这种趋势在未来会变得更强。随着记录密度变高，需要高度敏感的检测器。为了满足所述需求，已经开发了电流垂直于平面的巨磁电阻(CPP-GMR)元件。在这种元件中，不同于检测电流在膜表面内流动的现存CIP(电流在平面内的)-GMR元件，检测电流在垂直于多个介电薄膜堆叠方向的方向上流动(例如参阅日本专利申请KOKAI 10-55512(参考文献1)和美国专利No.5,668,688(参考文献2))。
为了提高记录密度，需要窄化磁隙和磁道。为了通过将CPP-GMR应用于屏蔽磁头而使磁隙变窄，不得不共享载流电极和磁屏蔽。参考文献1和参考文献2已经表示了使用磁屏蔽来使检测电流流动的实例。即便记录比特的大小变得更小，使用这种磁头也能够再现记录信号。但是，已知CPP-GMR元件膜厚两侧的较低电阻使电阻变化的绝对值变小，因此很难获得高的输出。
为了克服所述问题，已经使用限流效应发明了具有适当电阻值和高电阻变化率的CPP-GMR元件(例如参阅日本专利申请KOKAI9-172212(参考文献3)和美国专利No.6,560,077(参考文献4))。限流效应是以被限制的方式使电流流过分布在主要由绝缘材料组成的层中的导电部分，从而增加电阻变化率的效应。下文中，产生限流效应的层被称作电流控制层。
在磁头中，处理由磁畴效应引起的巴克豪森(Barkhausen)噪声是重要的。在现存的技术中，所述噪声通过外部施用偏置磁场来消除。但是，当磁道宽度变窄来增加记录密度时，对外加磁场(即由记录介质产生的磁场)敏感区域受偏置磁场的影响，这会导致降低再现灵敏度的缺点。另外，在现存的磁电阻效应元件中，其物理宽度直接反映在道宽上。主要因为光刻技术的极限，很难使磁电阻效应元件更窄。道宽的降低正在接近极限。
如上所述，在更窄的道宽和更高的再现灵敏度之间存在着一种折衷。伴随着光刻技术的极限，通过现存技术更难使磁头的道宽变窄。

因此，本发明的一个目标是提供能够使道宽更窄而不牺牲灵敏度，并且使高输出与记录密度的增加兼容的磁电阻效应元件、制造所述磁电阻效应元件的方法、包括所述磁电阻效应元件的磁头、磁头悬挂组件、磁再现设备，以及所述磁电阻效应元件的制造设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种引起检测电流垂直于多个导电层堆叠面流动的CPP(电流垂直于平面的)磁电阻效应元件，CPP磁电阻效应元件的特征在于包含复合层，其中多个彼此不同的区域以混合方式形成在公共层中，并且该层包括比复合层堆叠面积更窄且控制检测电流流速的电流控制区，以及切断检测电流流动的绝缘材料区。
在这种结构下，通过电流控制区中的限流效应产生高的电阻变化率，从而产生高水平的再现输出。电流控制区的面积形成得比堆叠层的复合层堆叠面积更小。也就是说，电流控制区的宽度做得比磁电阻效应元件的宽度更小。结果，道宽有效地小于磁电阻效应元件的物理宽度，从而刺激使记录密度变高而不会使偏置磁场降低灵敏度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造引起检测电流垂直于多个导电层堆叠面流动的CPP(电流垂直于平面的)磁电阻效应元件的方法，该方法包含形成金属薄膜的成膜步骤；以及使金属层变性成复合层，其中在复合层中，切断检测电流流动的绝缘材料区和限制检测电流流速的电流控制区混合成公共层，向金属薄膜局部供应能量和在能量供应步骤完成后氧化金属薄膜的变性步骤。
在这种结构下，由离子束(或者电子束)辐射的金属薄膜的一部分通过氧化形成电流控制区。剩余部分被氧化，从而形成绝缘材料。这就容易使电流控制区的宽度变窄，而不用取决于例如光刻的途径。
在本发明中，可以提供一种能够使道宽更窄而不牺牲灵敏度，从而使高输出与记录密度的增加兼容的磁电阻效应元件、制造所述磁电阻效应元件的方法、包括所述磁电阻效应元件的磁头、磁头悬挂组件、磁再现设备，以及所述磁电阻效应元件的制造设备。
本发明的其它优点将在下面的说明书中提出，并且部分地从本说明书中变得明显，或者可以从本发明的实践得知。通过下文具体指出的手段和组合可以实现并获得本发明的优点。
附图说明
结合并构成本发明一部分的附图阐述了本发明的实施例，并且与上面给出的一般性说明和下面给出的实施方案的详细说明一起用来解释本发明的原理。
图1是示意性表示根据本发明的磁电阻效应元件第一实施方案的剖视图。
图2是概念性表示包括图1磁电阻效应元件的磁头主要部分结构的剖视图。
图3是表示图2的磁头有效道宽测量结果的曲线。
图4是表示在改变X时，使用图2磁头从磁盘介质再现输出测量结果的曲线。
图5是示意性表示根据本发明的磁电阻效应元件第二实施方案的剖视图。
图6是概念性表示包括图5磁电阻效应元件的磁头主要部分结构的剖视图。
图7是表示图6的磁头有效道宽测量结果的曲线。
图8是表示在改变X时，使用图6磁头从磁盘介质再现输出测量结果的曲线。
图9是帮助解释图5磁电阻效应元件制造方法中第一步骤的剖视图。
图10是帮助解释图5磁电阻效应元件制造方法中第二步骤的剖视图。
图11是帮助解释图5磁电阻效应元件制造方法中第三步骤的剖视图。
图12是表示在图10步骤中离子束辐射时间和变性区6a面积电阻之间关系检测结果的曲线。
图13是帮助解释图5磁电阻效应元件制造方法中第四步骤的剖视图。
图14是帮助解释图5磁电阻效应元件制造方法中第五步骤的剖视图。
图15是帮助解释包括图5磁电阻效应元件的磁头制造方法中第一步骤的剖视图。
图16是帮助解释包括图5磁电阻效应元件的磁头制造方法中第二步骤的剖视图。
图17是帮助解释包括图5磁电阻效应元件的磁头制造方法中第三步骤的剖视图。
图18是帮助解释包括图5磁电阻效应元件的磁头制造方法中第四步骤的剖视图。
图19是安装了根据本发明的磁电阻效应元件的硬盘单元透视图。
图20是从介质面观看，从图19硬盘单元中磁头组件160的致动臂155延伸的尖端部分的放大透视图。

[第一实施方案]图1是示意性表示根据本发明的磁电阻效应元件第一实施方案的剖视图。
在图1中，表示了面向磁盘介质(未显示)的空气支承层表面(ABS)。图1中，在衬底上(未显示)，籽层2、反铁磁性层12、钉扎层3、中间层6、自由层5、复合层8和帽层(cap layer)10被依次堆叠在另一个上面。籽层2和帽层10主要由导电薄膜，例如Ta组成。反铁磁性层12主要由主要是PtMn的金属磁性材料组成。钉扎层3主要由堆叠的磁性膜，例如CoFe/Ru/CoFe组成。中间层6主要由导电薄膜，例如Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Ir或Os组成。自由层5主要由主要为CoFe/NiFe的金属磁性材料组成。
复合层8包括电导率不同的电流控制区8a和绝缘材料区8b。电流控制区8a在主要由绝缘材料区8b组成的薄膜中局部形成。优选地，电流控制区8a在绝缘材料区8b的中央部分形成。也就是说，电流控制区8a和绝缘材料区8b以混合模式形成在共用的复合层8中。形成电流控制区8a，使其具有小于复合层8堆叠面积的面积。举例来说，主要由氧化铝和Cu组成的电流控制区8a限制检测电流的流速，从而产生限流效应。绝缘材料区8b切断检测电流流动，使检测电流流入电流控制区8a。
电流控制区8a可以由选自下列至少一种元素的氧化物、氮化物，或者氧氮化物组成：B、Si、Ge、Ta、W、Nb、Al、Mo、P、V、As、Sb、Zr、Ti、Zn、Pb、Th、Be、Cd、Sc、Y、Cr、Sn、Ga、In、Rh、Pd、Mg、Li、Ba、Ca、Sr、Mn、Fe、Co、Ni、Rb，以及稀土金属。另外，允许电流控制区8a含有从1％或以上至50％或以下范围的选自Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Ir和Os的至少一种金属。
图1的电流垂直于平面(CPP)型磁电阻效应元件引起检测电流垂直于每层堆叠面而流动。另外，所述元件具有所谓的自旋阀结构，其中作为自由层5磁化方向响应外部磁场而变化的结果，电阻变化。
图2是概念性表示包括图1磁电阻效应元件的磁头主要部分结构的剖视图。在图2中，在磁电阻效应元件的两面上形成偏置膜35，将磁电阻效应元件夹在其间。在所得元件上面和下面，分别形成上引线11和下引线1。也就是说，上引线11堆叠在帽层10上。下引线1在籽层2外面形成。
偏置膜35，举例来说是由CoPt组成的铁磁性材料薄膜，向自由层5施加偏置磁场，从而抑制巴克豪森噪声。偏置膜35通过例如由氧化铝组成的绝缘膜34与磁电阻效应元件、上引线11和下引线1绝缘。举例来说主要由NiFe组成的上引线11和下引线1还用作磁屏蔽和施加检测电流的电极。
在图2中，检测电流会聚性地流过复合层8中的电流控制区8a。也就是说，检测电流在磁电阻效应元件的中央部分会聚。由于自由层5的磁化方向响应外部磁场而变化时电阻值的改变，这使得可以有效地窄化道宽。换句话说，可以有效地窄化磁头的再现道宽。
图3是表示图2的磁头有效道宽测量结果的曲线。在横坐标轴上，绘出了图1磁电阻效应元件的宽度。参数X代表电流控制区8a每一侧上绝缘材料区8b(在图2中表示)的宽度。如果电流控制区8a的宽度是100纳米，磁电阻效应元件的宽度由[100+2·X](纳米)来表达。
如图3所示，即便磁电阻效应元件的物理宽度从100至200并至300纳米变化，有效道宽停留在从100至150纳米的范围内。也就是说，可以获得比磁电阻效应元件宽度更窄的有效道宽。另外，可见看出即便磁电阻效应元件的宽度增加，有效道宽不会变化太多。
图4是表示在改变X时，使用图2磁头从磁盘介质再现输出测量结果的曲线。在图4中，使用具有Hc＝4500Oe且Mrt＝0.3memu/cm2的硬盘介质，并且使用上升量＝5纳米来测量来自独立再现波的再现输出。如图4所示，结果表明输出随着X变长而增加。该结果不仅与由于电流传导部件(电流控制区8a)上的限流效应而增加的输出密切相关，而且与由于电流传导部件与偏置膜35之间的距离增加(即X变长)，施加到电流传导部件的偏置磁场降低密切相关。
如上所述，在第一实施方案中，在CPP磁电阻效应元件中提供在绝缘材料区8b上局部形成电流控制区8a的复合层8。这使电流控制区8a产生限流效应，从而实现高的再现输出水平。另外，可以像在现有磁电阻效应元件中一样，保持偏置膜35间的距离，这就阻止了再现灵敏度的降低。此外，因为电流传导部件的宽度变窄，可以获得有效变窄的道宽，因此可以提高记录密度。
[第二实施方案]图5是示意性表示根据本发明的磁电阻效应元件第二实施方案的剖视图。在图5中，与图1中相同的部分由相同的参考数字表示。将只描述与后者不同的部分。
在图5中，在钉扎层3和自由层5之间形成的中间层6包括电流控制区8a和绝缘材料区8b。也就是说，在第二实施方案中，电流控制区8a和绝缘材料区8b在图1的中间层6中形成，从而使中间层6还起着复合层8的作用。
图6是概念性表示包括图5磁电阻效应元件的磁头主要部分结构的剖视图。如同在图2中，在图6中，在磁电阻效应元件的两面上形成偏置膜35。检测电流在磁电阻效应元件中央部分会聚地流动。
图7是表示图6磁头中有效道宽测量结果的曲线。测量条件与图3中相同。与图3的比较表明图7中所示的道宽窄于图3。也就是说，可见道宽被有效地变得更窄。
图8是表示在改变X时，使用图6磁头从磁盘介质再现输出测量结果的曲线。测量条件与图4中相同。与图4的比较表明再现输出的水平大于图4。这是因为在自旋阀堆叠结构的中间层6中形成复合层增加了电流控制区8a中的限流效应。如上所述，在第二实施方案中，从限流效应获得的电阻变化率被进一步增加。因此，第二实施方案不仅产生了第一实施方案的作用，而且实现了更高的再现输出并且通过使道宽更窄而提高记录密度。
[第三实施方案]接着，将解释根据本发明第三实施方案的磁电阻效应元件的制造方法。使用组合形成金属薄膜的真空蒸气沉积单元和在金属薄膜上辐射离子束的离子辐射单元的设备来制造与本发明相关的磁电阻效应元件。真空蒸气沉积单元具有在氧气气氛中处理试样的作用。也就是说，组合使用成膜单元，具有使用适当氧气分压和适当的暴露时间在适当的温度控制下氧化试样功能的单元，和离子辐射单元来来实现本发明磁电阻效应元件的制造设备。
图9是帮助解释图5磁电阻效应元件制造方法中第一步骤的剖视图。在图9中，在Al-Ti-C衬底(未示出)上形成NiFe薄膜，用作下引线/下屏蔽1(图6)。然后，在通过光刻和干法蚀刻图案化下引线/下屏蔽1后，依次形成由Ta组成的籽层2、由PtMn组成的反铁磁性层12和由CoFe/Ru/CoFe组成的钉扎层3。在达到这一步的步骤中，完成磁电阻效应薄膜的下面部分。接着，依次在所述下面部分上形成Cu薄膜和Al膜，从而产生中间层6。
图10是帮助解释图5磁电阻效应元件制造方法中第二步骤的剖视图。接着图9的情况，在图10的步骤中，在中间层6的中央部分中和周围辐射宽度对应道宽的离子束。举例来说，可以使用Ar离子束作为离子束。作为离子束辐射的结果，能量从离子束注入辐射区，从而形成如图11所示的变性区6a。
图11是帮助解释图5磁电阻效应元件制造方法中第三步骤的剖视图。在该步骤中，图10情况中的多层薄膜通过例如IAO(离子辅助氧化)方法接受氧化过程，从而氧化中间层6。结果，可以使变性区6a的电阻特性与剩余区不同。也就是说，适当控制离子束的辐射时间、氧化处理时间等，使得可以只使用变性区6a作为电流控制区并且剩余区作为绝缘材料区。
图12是表示在图10步骤中离子束辐射时间和变性区6a面积电阻之间关系检测结果的曲线。纵坐标轴代表面积电阻。如图12所示，可见面积电阻随着离子束辐射时间迅速降低。举例来说，当辐射时间例如为100秒或更长时，面积电阻为1Ωμm2或更低，因此变性区6a变成几乎是导体。相反，当离子束辐射时间为0时，也就是说在没有离子束辐射下仅实施氧化处理，获得约1kΩμm2的面积电阻，结果变性区6a变成绝缘材料。当不实施氧化处理时，也就是说当中间层6由金属组成时，它具有约0.05至0.1Ωμm2的面积电阻。如果辐射时间被设定为约120至150秒，那么将获得0.5Ωμm2的面积电阻。
图13是帮助解释图5磁电阻效应元件制造方法中第四步骤的剖视图。从图12的曲线可以看出通过辐射Ar离子束约120至150秒，然后实施氧化处理，可以获得中间的面积电阻。因此，通过所述处理，可以使用变性区6a作为电流控制区8a并且剩余区作为绝缘材料区8b。
图9是帮助解释图5磁电阻效应元件制造方法中第五步骤的剖视图。在图13的情况中形成Cu膜后，形成CoFe/NiFe膜作为自由层5。然后，形成Ta薄膜作为帽层10，完成磁电阻效应元件的上面部分。
图15是帮助解释包括图5磁电阻效应元件的磁头制造方法中第一步骤的剖视图。在图14的情况中，以中间层6的电流控制区8a几乎位于抗蚀膜100宽度中央部分的方式，在帽层10的堆叠薄膜上形成其宽度大于电流控制区8a宽度的抗蚀膜100。
图16是帮助解释包括图5磁电阻效应元件的磁头制造方法中第二步骤的剖视图。在图15的情况中，使用抗蚀膜100作为掩模，通过离子蚀刻来蚀刻磁电阻效应薄膜。结果，磁电阻效应元件具有如图16的形状，它实现了用于磁头的必须的最小尺寸。
图17是帮助解释包括图5磁电阻效应元件的磁头制造方法中第三步骤的剖视图。图18是帮助解释包括图5磁电阻效应元件的磁头制造方法中第四步骤的剖视图。
在图16的情况中，使用实施其本身职能的抗蚀膜100，形成氧化铝薄膜，从而产生绝缘薄膜34。在绝缘薄膜34上，形成Cr薄膜，提供偏置膜35的基础。在Cr膜上，形成CoPt薄膜，制成偏置膜35。最后，形成氧化铝薄膜，制成绝缘薄膜34，然后剥离。通过这些步骤，形成本发明的磁头。
如上所述，在第三实施方案中，可以获得带有更窄道宽，并能够同第二实施方案一样产生高的再现输出的磁头。也就是说，不仅可以提供具有窄于磁电阻效应元件物理宽度的有效道宽的再现磁头，而且可以提供即便在减小道宽时也能抑制输出降低的磁电阻效应磁头。
另外，在第三实施方案下，通过在自旋阀薄膜中间层8上辐射离子束形成变性区6a。然后，变性区6a接受氧化处理，从而形成复合层8。在最近的离子束辐射单元中，已经实现范围从5至10纳米的光点直径。在第三实施例中，电流控制区8a的宽度可以被降至约5至10纳米。也就是说，道宽可以降低至离子束直径的量级，这会使记录密度显著变高。
在最近的光刻技术中，已知道宽极限为约80至90纳米。相比而言，根据第三实施方案，可以获得远窄于受光刻技术限制的磁电阻效应元件物理宽度的有效道宽。即，因为可以实现窄至约现有道宽一半至九分之一的道宽，所以第三实施方案对于磁盘介质中更高记录密度的贡献是大的。
[第四实施方案]图19是安装了根据本发明的磁电阻效应元件的硬盘单元透视图。本发明的磁电阻效应元件被安装在读取磁记录在磁记录介质上的数字数据的磁再现设备中。典型的磁记录介质是硬盘驱动器中的盘状构造。另外，本发明的磁电阻效应元件可以安装在还具有向磁记录介质上写入数字数据功能的磁记录和再现设备上。
在图19的硬盘单元150中，使用旋转式致动器来移动磁头。在图19中，记录磁盘介质200被安装在轴152上。磁盘介质200在箭头A所示方向上通过电机(未显示)来旋转，电机响应来自驱动单元控制部分(未显示)的控制信号。可以提供多于一个的磁盘介质200。这类设备被称作多盘型。
在薄膜悬挂组件154尖端上提供的磁头滑块453向磁盘介质200中储存信息或从那里再现信息。磁头滑块153在其尖部提供有图2或6的磁头。
磁盘介质200的旋转引起磁头滑块153的空气支承层表面(ABS)在磁盘介质200的表面上方浮起特定的距离。本发明可以应用于所谓的接触运转设备，其中滑块与磁盘介质200接触。
悬挂组件154被连接到致动臂155的一端上，致动臂包括保持驱动线圈(未显示)的线轴部分(未显示)。音圈电机156，即一种线性电动机，被提供到致动臂155的另一端上。音圈电机156由绕着致动臂155线轴部分缠绕的驱动线圈(未显示)和磁回路组成，磁回路包括以磁体和磁轭彼此面向、线圈夹在其间的方式提供的永磁体和对磁轭(facing yoke)。
致动臂155由在轴157上部和下部提供的球轴承(未显示)保持，致动臂155可以由音圈电机156自由旋转。
[第五实施方案]图20是从介质面观看，从图19硬盘单元中磁头组件160致动臂155延伸的尖端部分的放大透视图。在图20中，磁头组件160具有致动臂155。悬挂组件154被连接至致动臂155的一端上。在悬挂组件154的尖部，提供包括图5或6磁头的磁头滑块153。悬挂组件154具有用来写入和读取信号的引线164。引线164被电学连接到磁头滑块153中内置的磁头的各个电极上。引线164还被连接到电极极板165上。
如图19和20所示，具有比现有硬盘单元更窄道宽并且产生比后者更高再现输出的磁记录和再现设备可以通过使用图1或5的磁电阻效应元件和图2或6的磁头实现硬盘设备来实现。这种结构致力于更高的记录密度。
本发明并不局限于上述实施方案。
举例来说，本发明可以应用于所谓的双自旋阀磁电阻效应元件，所述元件包括两个单元，每个单元由自由层、中间层和钉扎层组成，自由层由两个单元分享。在此情况下，两个中间层之一可以作为复合层8。当然，两个中间层都可以用作复合层。
尽管在第三实施方案中已经辐射Ar离子束形成电流控制区8a，但可以辐射电子束形成电流控制区8a。另外，可以考虑辐射射线的方法。